База нормативной документации: www.complexdoc.ru

15.6. Косогорные сооружения поверхностного водоотвода

Для предупреждения размыва мостов и труб на косогорах, а также и склонов косогоров текущей водой устраивают подводящие и отводящие русла (рис. 15.23) в виде быстротоков, перепадов с водобойными колодцами, консольных водосбросов и т.д.

Рис. 15.23. Косогорные сооружения у малого моста:

1 - естественное русло; 2 - перепады с водобойными колодцами; 3 - мост; 4 - быстроток; 5 - водобойный колодец; 6 - уступ

Искусственные русла проектируют в соответствии с местными условиями, имея в виду следующие характеристики отдельных типов косогорных сооружений:

быстротоки (рис. 15.24, а) применяют на любых уклонах, больше критических. В связи с большой скоростью протекания воды в местах сопряжения быстротока с другими сооружениями необходимо предусматривать устройства гасителей энергии, а сам быстроток укреплять в соответствии со скоростью потока;

Рис. 15.24. Основные типы косогорных сооружений:

а - быстроток; б - перепады с водобойными колодцами; в - консольный водосброс

перепады с водобойными колодцами (рис. 15.24, б)

применяют главным образом на значительных уклонах (перепады

749

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

без водобойных колодцев практически не устраивают, так как они могут быть размещены только на небольших уклонах);

консольные водосбросы (рис. 15.24, в), лотки большого уклона, приподнятые на опорах над поверхностью, применяют для пропуска воды над дорогой в том случае, когда устройство водопропускного сооружения под дорожной насыпью оказывается менее целесообразным.

Рис. 15.25. Расчетная схема быстротока: 1 - входной оголовок; 2 - кривая спада

Расчет быстротока (рис. 15.25). Быстротоком называют искусственное открытое русло с уклоном дна больше критического, направляющее быстротекущий поток воды из верхнего участка водовода в нижний. Ширина дна лотка быстротока может быть равной или меньше ширины дна подводящего русла. В последнем случае перед переломом рельефа местности необходимо устраивать переходной участок с учетом особенностей расчета сужающихся бурных потоков. Последовательность гидравлического расчета быстротока следующая:

1. Определяют ширину быстротока по заданным значениям скорости течения воды vo, уклона I и коэффициента шероховатости

п:

где

750

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

n - коэффициент шероховатости быстротока, назначаемый с учетом аэрации, зависящей от уклона и материала стенок быстротока;

h0 - глубина воды в быстротоке, м;

v0 - допускаемая скорость течения на быстротоке, м/с.

Данная формула выведена при предположении, что гидравлический радиус мало отличается от глубины потока.

2.Определяют глубину воды в конце быстротока:

3.Определяют глубину воды на входе в быстроток из канала с уклоном I < Iкр, которая равна критической:

(15.20)

4.Выясняют условия затопления струи на выходе из быстротока

врусло с уклоном меньше критического. Для этого вычисляют вторую сопряженную глубину прыжка:

Если глубина hб в русле за быстротоком больше, чем глубина за прыжком h", то прыжок затоплен, и скорость за быстротоком определяется глубиной потока hб. Если же эта глубина меньше, чем глубина h" (то есть hб < h"), то в целях сокращения участка

751

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

высоких скоростей в русле за быстротоком следует устроить водобойный уступ (колодец), глубина которого

d = 1,1h" - hб.

Необходимую длину водобойного колодца (от конца быстротока до конца водобойного уступа) рассчитывают по формуле подпертого прыжка:

lкол = 3(h" - h0).

Расчет перепада с водобойным колодцем. Перепадом называют сооружение, сопрягающее два участка водовода, расположенных на разных уровнях. Он может быть одноступенчатым или многоступенчатым. В практике дорожного строительства, как правило, применяют перепады только колодезного типа.

Перепад с водобойным колодцем состоит из следующих элементов (рис. 15.26): входа 1, стенки падения 2, водобоя 3 и выхода-уступа 4, если перепад одиночный, или водобойной стенки, если перепад один из цепи перепадов с колодцами.

Рис. 15.26. Одиночный колодец (уступ):

1 - вход; 2 - стенка падения; 3 - водобой; 4 - выход-уступ

Схема гидравлического расчета перепада с водобойным колодцем следующая (рис. 15.27).

752

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 15.27. Расчетная схема многоступенчатого перепада

1.Назначают ширину водобойного колодца b, исходя из нормы расхода 0,5-1,0 м3/с на 1 м ширины колодца. Чаще всего ширину колодца делают одинаковой с отверстием водопропускного сооружения. Высоту перепада р назначают путем деления общего падения уровня на участке расположения перепадов на число перепадов, назначаемое сначала ориентировочно.

2.Определяют глубину воды на входе, равную критической, по формуле (15.20).

3.Определяют глубину в сжатом сечении падающей струи. Для этого подсчитывают энергию сечения на входе, задаваясь ориентировочно глубиной колодца d:

Т0 = 1,5hкр + p + d.

4.Определяют относительную энергию:

5.По графику (рис. 15.28) определяют относительную глубину после прыжка в сжатом сечении, задавая коэффициент скорости j:

753

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 15.28. График для расчета перепадов

вычисляют глубину после прыжка

Порядок пользования графиком показан стрелками на рис. 15.28.

6. Определяют глубину воды перед водобойной стенкой

H = H + d = 1,7hкр + d.

7. Проверяют достаточность заданной глубины колодца. Необходимо, чтобы

754

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

(15.21)

Если это равенство не удовлетворяется, то глубину колодца, заданную ориентировочно, изменяют и расчет повторяют снова, пока условие (15.21) не будет выполнено.

8. После расчета глубины колодца определяют минимально допустимую длину колодца

lкол = lпол + lпр, где

Здесь vкр - скорость в сечении на входе, м/с;

у - высота падения струи;

y = p + d + 0,5hкр;

- глубина после прыжка в сжатом сечении;

755

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

- глубина в сжатом сечении в колодце, определяемая по графику

9. Длина водобойной стенки (толщина водосливного порога)

lст = 3hкр.

10. Проверяют вписывание перепада в профиль местности, для чего определяют уклон перепада:

Этот уклон должен быть не меньше того, которым характеризуется косогор. Если же уклон косогора Iм меньше уклона перепада, то длину каждого колодца увеличивают, что только улучшает условия затопления струи. Длина колодца, соответствующая заданному уклону местности,

Расчет консольного перепада. Консольный перепад это лоток с большим уклоном, применяемый на опорах над поверхностью земли (рис. 15.29), в конце которого устраивают струенаправляющий носок с обратным или нулевым уклоном. Такого типа сооружения применяют для сброса воды через полотно дороги и в овраги на весьма крутых косогорах.

756

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 15.29. Схема к расчету консольного водосброса

Обратный уклон струенаправляющего носка принимают

iн £ 0,25 (подъем b £ 15°), а длину носка lн = 1-2 м.

Гидравлический расчет консольного перепада заключается в определении глубины в конце быстротока h, дальности полета струи lпад и размеров воронки размыва в месте падения струи.

1. Глубину в конце носка применяют равной глубине быстротока (методика определения глубины h такая же, как у быстротока). Как правило, эту глубину определяют по известной формуле гидравлики для неравномерного движения воды, рассматривая два смежных сечения с глубиной h1 и h2 и длиной l между ними:

i0l/h0 = h2/h0 - h1/h0 - (1 - jcp)[j(h2/h0 - jh1/h0)], где

i0 - уклон дна рассматриваемого участка русла, ‰;

Сср - средний коэффициент Шези;

Вср - средняя ширина потока по верху, м;

cср - средний смоченный периметр.

2. Дальность падения струи без учета аэрации и сопротивлений воздуха определяют по приближенной формуле:

757

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

где

v - скорость потока в конечном сечении струенаправляющего носка, м/с;

j - коэффициент скорости;

Р - высота перепада, м.

При горизонтальном носке, т.е. при b = 0°

Фактическая дальность полета струи оказывается на 10-20 % меньше, чем определенная по формулам свободного падения.

3. Снос струи боковым ветром для параболического поперечного сечения определяют по формуле:

где

vв - скорость ветра, м/с;

Р - высота перепада, м;

Q - расход перепада, м3/с.

758

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Учет сноса струи особенно необходим, если за перепадом устраивают водобойные сооружения.

4. Глубину воронки размыва hвp рекомендуют определять по формуле:

где

hнб - бытовая глубина нижнего бьефа, м;

s = 1,05-1,1 - коэффициент затопления прыжка;

- сопряженная глубина с глубиной сжатого сечения, определяемая при расчете водобойных колодцев, м.

Глубину в сжатом сечении на дне воронки размыва определяют, исходя из удельной энергии:

Ео = Р + h + hвp + an2/2g.

Задаваясь глубиной hвp находят сопряженные глубины и при вычисленном значении hc проверяют правильность заданного значения hвp.

Размеры воронки размыва в плане определяют приближенно, полагая ее форму конусоидальной с уклонами откосов 1:1.

Для учета свойств грунта, от которых зависят размеры воронки размыва, глубину воронки корректируют по формуле:

hриспр = ehвp, где

e - коэффициент, учитывающий свойства грунта (для плотного лёсса e = 2, для гравелисто-песчаных грунтов e = 1,5-2,5).

По исследованиям Патрашева глубину воронки размыва рекомендуют определять

759