Приложение 4. Алгоритмы выбора рационального типа водопропускного тракта труб

Приложение 4

Алгоритмы выбора рационального типа водопропускного тракта труб

П.4.1. В основе алгоритма лежит методика расчета водопропускного тракта, предполагающая, что продольный профиль всего водопропускного тракта и его отдельных, элементов задан.

П.4.2. Основные элементы алгоритма:

1) расчет размеров подходных быстротоков и гидравлических характеристик потока в них, в том числе с учетом переломов (изменения уклонов поверхности дна) и аэрации потока;

2) расчет сопряжений быстротока с трубой (сужений);

3) расчет глубин и скоростей на всей длине трубы, включая входной и выходной участки, с учетом условий сопряжения с быстротоком и аэрации;

4) расчет глубин и скоростей потока на укреплении без устройства гасителей;

5) расчет глубин размыва за укреплением нижнего бьефа с учетом гидрографа паводка, каменной наброски и возможности образования - промоины (канавы) в выходном логе;

6) определение размеров укреплений нижнего бьефа;

7) выбор вариантов конструкций водопропускного тракта, удовлетворяющих всем требуемым ограничениям (по допускаемым скоростям, зазорам в трубе, глубинам воронок размыва в выходном логе и т.п.).

Определение наилучшего из допускаемых вариантов должно осуществляться, на основе технико-экономического сравнения. Возможно также изменение (перепроектирование) продольного профиля водопропускного тракта с последующим повторением расчетов.

            I. в  = в ;

                б    с

Расчет водопропускного тракта ведется: для автомобильных дорог - на расчетный расход Q_P. При наличии снегового и ливневого стока Q_P и Q_max выбирают как максимальные из соответствующих расходов. Аккумуляция при расчете косогорных труб не учитывается.

П.4.3. Последовательность расчета:

1). Назначают тип трубы с учетом величины расхода, характера водотока, шероховатости; а также начальное отверстие трубы (обычно d=1,5 м или при других формах поперечного сечения в=1,5 м).

2). Рассчитывают быстроток. Длину быстротока принимают от выхода из нагорной канавы до начала сужения при установлении в нем равномерного движения.

Начинают с быстротока шириной по дну b_б=d или в и трапецеидальной формы с наиболее слабым типом укреплений. Последовательно увеличивают ширину b_б с шагом 0,25 м до выполнения двух условий:

а) h_к<h_нг где h_к - критическая глубина на входе в быстроток; b_нг - глубина воды в нагорной канаве в месте ее сопряжения с быстротоком (приближенно ее можно принимать равной глубине канавы);

б) v_б(max) < v_доп, где v_б(max) - максимальная скорость воды в быстротоке; v_доп - допускаемая скорость для материала и конструкции быстротока;

в) По глубине воды в конце быстротока определяют параметр кинетичности.

Затем определяют стоимость быстротока и переходят к расчету быстротока с более мощным типом укрепления, и на основе технико-экономического сравнения вариантов выбирают более экономичный.

3). Расчет сужения начинают с максимального угла сужения Тета=20°. Задаваясь характером сопряжения сужающейся части быстротока с трубой и степенью сужения эпсилон=b_б/b определяют глубины на входе в трубу. Если при пропуске расчетного расхода Q_P зазор между верхом трубы средней по сечению отметкой свободной поверхности на начальном участке трубы меньше допускаемого СНиП 2.05.03-84*, либо если высота максимального всплеска на стенке сужения h_гс больше высоты трубы (h_гс >h_T), либо если глубина в гребне на оси трубы больше высоты трубы h_гр>h_T, то уменьшают угол сужения на 5° и повторяют расчет сужения.

При этом необходимо учитывать, что при уменьшении угла сужения увеличивается длина участка сужения и, в то же время, уменьшается длина быстротока, поэтому на входе в сужение при изменении Тета будут меняться скорости и глубины потока, устанавливаемые при расчете быстротока.

Если при каком-либо угле Тета >= 8-10° указанные выше ограничения выполнены, то расчет сужения заканчивают. Если и при этом не выполняются ограничения на величину зазора в трубе, то назначают следующее отверстие трубы и переходят к п. 2 алгоритма.

4). Если по каким-либо причинам подходной быстроток и сужение отсутствуют, то расчет отверстия трубы производится, как для равнинных условий. При этом для расчетного расхода Q_р допускается только безнапорный и только при выполнении требования о величине зазора в трубе согласно СНиП 2.05.03-84*.

5). Рассчитывают среднюю часть трубы исходя из глубин и скоростей на входном участке трубы по уравнению неравномерного движения (Чарномский В.И.). Аналогично расчету быстротоков строят кривую свободной поверхности и проверяют условие, чтобы при расчетном расходе Q_p оставался регламентируемый СНиП 2.05.03-84* зазор между поверхностью воды и верхом трубы. При невыполнении этого условия переходят к следующему отверстию трубы и, если оно больше ширины быстротока b_б, возвращаются к п. 2 алгоритма, принимая b_б, равной новому отверстию трубы, а если меньше - то к п. 3 алгоритма. Для приближенных расчетов допускается вместо построения кривой свободной поверхности рассчитывать нормальную глубину в трубе (для труб с переломами - нормальную глубину для участка с максимальным уклоном).

6). Рассчитывают глубины и скорости на выходе из трубы.

7). Назначают начальный тип укрепления выходного русла (каменная наброска, плиты, монолитный бетон, сборные блоки и т.п.). Если v_б(max) > v_доп, то меняют тип укрепления на более мощный, и так до тех пор, пока не будет удовлетворено условие v_б(max) <= v_доп либо не будут исчерпаны все возможные типы укреплений.

8) Назначают начальный тип выходного русла из числа приведенных в "Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений".

9). Рассчитывают глубины размыва в выходном русле заданного типа. Если максимальная глубина размыва (с учетом образования канала) больше 2,5 м, то переходят на следующий, более мощный тип выходного русла (в порядке возрастания номеров и индексов) и расчет повторяют. Если никакой из типов выходных русел не обеспечивает глубины размыва меньше допустимой, то увеличивают отверстие трубы и переходят к п. 2.

10). Рассчитывают скорости и глубины потока на укреплении.

11). Рассчитывают ширину, укрепления и глубину заделки его концевой части с учетом растекания потока на укреплении и глубины, воронки размыва.

12). Если в результате расчетов осуществлен перебор всех допустимых отверстий труб и при этом не найден вариант, удовлетворяющий всем необходимым ограничениям, то водопропускной тракт необходимо перепроектировать. При этом необходимо:

а) изменить уклоны отдельных частей водопропускного тракта;

б) изменить ширину быстротока;

в) изменить угол сужения тэта или степень сжатия эпсилон.

После введения соответствующих корректив для п. 12, а-в повторяют расчеты начиная с п. 1 алгоритма. Если расчеты по перепроектированному варианту опять не удовлетворяют ограничениям, снова производят перепроектировку и т.д.