Приложение 3. Методические рекомендации по гидравлическим расчетам металлических гофрированных водопропускных труб большого диаметра

Приложение 3

Методические рекомендации по гидравлическим расчетам металлических
гофрированных водопропускных труб большого диаметра

П.3.1. Общие положения

Металлические гофрированные - гибкие безфундаментные конструкции, работающие во взаимодействии с грунтом по системе "грунт-труба". В нашей стране приняты в настоящее время следующие типовые размеры гофров: 130 х 32 мм, 150 х 50 мм, а в зарубежной практике применяются следующие размеры: 67,77 х 12,7; 100 х 22; 152,4 х 50,8; 200 х 55 и 400 х 150 мм (длина и высота гофра).

Гофрированные трубы отличаются от технически гладких существенно большей шероховатостью, что связано с наличием на внутренней поверхности гофров. Среднее значение коэффициента шероховатости n=0,025-0,03, а при наличии гофр больших размеров (более 152,4 х 50,8 мм) или наносов в лотковой части трубы коэффициент шероховатости может достигать 0,04.

Наличие повышенной шероховатости приводит к существенно большим критическим уклонам гофрированных труб по сравнению с технически гладкими, значение которых в гофрированных трубах достигает 0,02-0,03. Поэтому для предотвращения снижения водопропускной способности уклоны гофрированных труб должны быть более 0,02-0,03 и, в крайнем случае, не меньше 0,01, то есть необходимо назначать уклон трубы равными# или более критического уклона (i_Т > i_К). При уклоне трубы менее 0,01 необходимо учитывать снижение пропускной способности водопропускного сооружения.

П.3.2. Режимы протекания

Важнейшими факторами, определяющими пропускную способность водопропускных труб, являются режимы протекания воды в них и характер сопряжения их с подходными устройствами.

В районах вечной мерзлоты и наледеобразования не допускаются полунапорный и напорный режимы работы, водопропускных труб. Единственным допустимым режимом является безнапорный, когда входное сечение не затоплено и на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность.

Безнапорный режим протекания сохраняется вплоть до затопления входного сечения трубы. Затопление входного отверстия трубы происходит при значениях параметра расхода П_Q, приведенных в таблице П.3.1. Значение П_Q определяют по номограммам. Приближенно можно принимать, что H/h_T = 1.1 для всех типов оголовков (H - глубина потока перед трубой, h_T - высота трубы).

Таблица П.3.1

Форма поперечного сечения трубы	Формула параметра расхода П_Q	Заполнение входного сечения h_вх/h_T	Значение параметра расхода труб при типах входных оголовков
			Без оголовков	Раструбный альфа_р=20°
Круглая	Q -------------------- D(2)кв.корень gD	0,75 1,0	0,275	0,305 0,495
Овоидальная	Q -------------------- D(2)_э кв.корень gD_а	0,75 1,0	--------------	0,350 0,485

             D  = 1,13 кв.корень (омега    ),

              э                        соор

где D   - эквивалентный диаметр (эквивалентное отверстие), представляющий

     э

собой  диаметр круга, равного по площади поперечному сечению   сооружения

омега    .

     соор

Для многоочковых труб эквивалентный диаметр определяется по суммарной площади очков.

При безнапорном режиме некоторое увеличение расхода, поступающего к трубе, незначительно увеличивает глубину потока перед трубой. Это преимущество безнапорных труб является очень существенным при их эксплуатации.

Для металлических гофрированных труб большого диаметра принимается безнапорный режим протекания, то есть, когда входное и сжатое сечение не затоплены, на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность и пропускная способность зависит только от условий входного участка трубы.

Безнапорный режим протекания в трубах сохраняется до полного затопления входного сечения, что характеризуется условием:

         h

          вх

        ------  < 1,

          D

где h   - глубина на входе в трубу;

     вх

   D    - диаметр входного сечения, считая по впадинам гофра  (наименьший

диаметр).

Когда сжатое сечение затоплено, пропускная способность трубы снижается. Затопление сжатого сечения может быть вызвано влиянием сопротивления по длине трубы при относительно большой ее длине и малом уклоне, повышенной шероховатостью или затоплением нижнего бьефа.

Гофрированные металлические водопропускные трубы следует проектировать на пропуск расчетного расхода только при безнапорном режиме.

При безнапорном режиме перед трубой и в пределах входной части трубы наблюдается кривая спада от подпертой глубины до сжатого сечения.

Сжатое сечение в зависимости от типа водного оголовка, поперечного сечения и уклона находится на расстоянии (1,0-2,0) H от входа в трубу, а глубина в сжатом сечении колеблется в пределах (0,4-0,7) Н.

П.3.3. Определение пропускной способности труб

"Длинные" и "короткие" трубы. Учет влияния нижнего бьефа

П.3.3.1. В зависимости от влияния длины трубы на пропускную способность различают "короткие" и "длинные" трубы (Рис. П.3.1.). Трубы, на пропускную способность которых при безнапорном режиме оказывает влияние их длина, называют "длинными" в гидравлическом отношении. У "коротких" это влияние отсутствует, сжатое сечение не затоплено, поток сохраняет бурное состояние на протяжении всей трубы и пропускная способность зависит от только от условия входного участка трубы. Общая длина "коротких" труб не оказывает влиянии на пропускную способность трубы. В "длинных" трубах при наличии высокой шероховатости (гофров) сопротивление по длине влияет на пропускную способность.

В "длинной" трубе энергии потока недостаточно для протекания в бурном состоянии, он переходит в спокойное состояние и пропускная способность трубы уменьшается. Этот переход осуществляется гидравлическим прыжком, глубины потока в трубе при этом резко возрастают, сжатое сечение затапливается и может произойти смена безнапорного режима на полунапорный, частично напорный или напорный режимы, что очень опасно для нормальной работы трубы.

П.3.3.7. "Короткими" считаются трубы, для которых соблюдается условие

            i   > i .

             T     K

П.3.3.3. Критический уклон наиболее распространенных отверстий труб вычисляют по формуле:

                                    D

                                     граф                2

   i  примерно = l       кв.корень (------) (n    /0,025) ,

    K             K(граф)              D      гофр

где i       и D     - соответственно критический уклон и  диаметр  трубы.

     K(граф)   граф

D = 1,5 или 2,0 м;

    n               - фактический коэффициент шероховатости гофрированной

     гофр

трубы.

При i_T < i_K с некоторым приближением "короткими" можно считать трубы при соблюдении критерия относительной длины:

     l

      Т

    ---- <= 20,

      D

где  l   - длина трубы;

      T

     D   - диаметр (отверстие) трубы.

В случае, когда форма поперечного сечения трубы отличается от круглого, в формулу l_T/D <= 20 вместо диаметра D принимаем эквивалентный диаметр D_экв=1,13 кв.корень омега_соор.

П.3.3.4. Приводимые ниже в настоящей главе зависимости для определения пропускной способности труб при безнапорном режиме относятся к "коротким" трубам.

П.3.3.5. Подпертую глубину перед безнапорными трубами определяют по тем же зависимостям, что и для равнинных технически гладких труб (табл. П.3.2).

П.3.3.6. Глубины на входе и подпертые глубины перед "длинными" трубами определяют по формулам, полученным из аналогичных зависимостей для гладких труб, приведенных в "Руководстве по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений", с введением в них корректива для учета повышенной шероховатости гофрированных труб:

   h          h             l           h      n

    вх(дл)     вх            T           вх  2  гофр

   ------ =  ---- + 0.007 (---- - 20) (-----) -------;

     D         D             D           D       n

   H                        l                n

    дл       H             T           H  2   гофр

   ----- = ---- + 0.005 (---- - 20) (----) -------;

    D        D             D          D       n

    h

     вх     H

где ---- и ---   - соответственно    относительная   глубина   на входе и

     D      D

относительная подпертая глубине для "коротких" труб;

n = 0.015 и n    - коэффициенты шероховатости соответственно для  гладких

             гофр

и гофрированных труб.

Коэффициент шероховатости n_гофр для труб с принятым в нашей стране гофром при отсутствии в трубе покрытия (гладкого лотка) составляет около 0,03; при наличии лотка, покрывающего 1/4 - 1/3 внутренней поверхности трубы, - 0,025.

В общем случае при гладком лотке, покрывающем любую часть поперечного сечения трубы, коэффициент шероховатости.

                              2           2

                        Хи х n + Хи    х n

                                   гофр

      n    = кв.корень (--------------------),

       гофр                   Хи + Хи

                                     гофр

где

     Хи и Хи    - части     поперечного    сечения    трубы,     покрытие

            гофр

соответственно гладким лотком и гофрированной поверхностью;

     n и n      - коэффициенты шероховатости соответственно  для гладкого

          гофр

лотка (n = 0,015) и гофрированной поверхности (n    = 0,03).

                                                гофр

При влиянии глубины воды в нижнем бьефе трубы делят на "затопленные" с нижнего бьефа и "незатопленные" (рис. П.3.1.).

Затопленными с нижнего бьефа считают трубы, работающие в условиях, при которых уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы (вследствие затопления сжатого сечения), в противном случае трубы считаются "незатопленными" с нижнего бьефа.

П.3.3.7. При значительной бытовой глубине водотока происходит затопление труб со стороны нижнего бьефа, что также снижает их пропускную способность.

С некоторым приближением можно считать, что критерии затопления труб со стороны нижнего бьефа, полученные для гладких труб, сохраняются и для гофрированных, т.е. незатопленными будут трубы при соблюдении условий:

         h  >1,25 h  и h  >1,1 h ,

          нб       К    нб      Т

где

     h    - глубина в нижнем бьефе над нижней точкой дна трубы в выходном

      нб

сечении;

     h    - критическая глубина в трубе;

      К

     h    - высота трубы.

      Т

Критическую глубину в круглых трубах определяют по графику. Более точно учет затопления производится согласно "Руководству по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений".

П.3.3.8. Подпертую глубину перед безнапорными трубами определяют по формуле:

                              2/3

                 Q

     H = (-------------------)   ,

           m в  кв.корень 2g

              K

где  m  - коэффициент расхода, определяемый по табл. П.3.2 в  зависимости

от типа входного оголовка;

     в  - средняя ширина потока при критической глубине, определяемая  по

      К

табл. П.3.3.

Таблица П.3.2

Тип оголовка	Коэффициент расхода, m
Без оголовка (вертикальный срез)	0,33
Срезанный параллельно откосу	0,33
"Капюшон"	0,33
Раструбный Тета=20°	0,365

Таблица П.3.3

П_Q = Q/D(2) кв.корень QD	в_К/D	В_К при диаметрах труб D, м
		3,0	5,0
0,02	0,49	1,47	2,45
0,03	0,52	1,56	2,6
0,04	0,57	1,71	2,85
0,05	0,59	1,77	2,95
0,06	0,62	1,86	3,1
0,07	0,63	1,89	3,15
0,08	0,64	1,92	3,2
0,09	0,66	1,98	3,3
0,1	0,67	2,01	3,35
0,12	0,69	2,07	3,45
0,14	0,72	2,16	3,6
0,16	0,74	2,2	3,68
0,18	0,76	2,26	3,78
0,2	0,77	2,31	3,85
0,25	0,79	2,37	3,95
0,3	0,81	2,43	4,05
0,35	0,82	2,46	4,1
0,4	0,83	2,49	4,15
0,45	0,84	2,5	4,18
0,5	0,84	2,52	4,2
0,55	0,84	2,52	4,2
0,6	0,84	2,52	4,2
0,65	0,84	2,52	4,2
0,7	0,83	2,49	4,15

П.3.3.9. В том случае, если ширина разлива при подпертом расчетном уровне высоких вод менее шести отверстий трубы, имеет место несовершенное сжатие потока. При несовершенном сжатии потока на входе в трубу (ширина по подпертому уровню высоких вод ПУВВ перед входом в трубу менее шести ее отверстий) коэффициент расхода определяют по формуле:

              (0.385 - m    ) омега

                        табл       n

   m = m    + -----------------------,

        табл   3 Омега - 2 омега

                                n

где

     m      - значение коэффициента расхода по табл. П.3.2.

      табл

     Омега  - площадь поперечного сечения потока в подводящем русле;

     омега  - площадь   поперечного  сечения трубы до отметки  подпертого

          n

уровня.

Гидравлический расчет гофрированных металлических труб, работающих в равнинных условиях, производится в соответствии с указаниями, изложенными в "Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений", со следующими коррективами:

- уклоны гофрированных труб должны быть равны или больше критических, но не менее i=0,01;

- коэффициенты расхода при безнапорном режиме следует применять для безоголовочного типа входного оголовка (с вертикальном срезом и срезом параллельно откосу) m=0,33, а для раструбных оголовков с углом раструбности 20° - m=0,36.

Возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы в любом поперечном сечении над поверхностью воды в трубе при пропуске расчетного расхода должно быть в свету: в круглых и сводчатых трубах высотой до 3,0 м - не менее 1/4 высоты трубы, свыше 3,0 м - не менее 0,75 м.

Безнапорный режим протекания сохраняется вплоть до затопления входного сечения трубы (H/h = 1,0), где H - глубина потока перед трубой; h_T - высота трубы.

"Короткие" незатопленные трубы

При безнапорном режиме труба гидравлически работает как водослив с широким порогом.

Расход воды, пропускаемый безнапорной "короткой" неподтопленной трубой (см. рис. П.З.1.),

                              3/2

     Q = m в  кв.корень (2g) H   ,

            K

где

     m  - коэффициент расхода;

     в  - средняя ширина потока в сечении с критической глубиной h .

      K                                                           K

         W

          K

   в  = ----,

    K    h

          K

где

     W   - площадь поперечного сечения потока при глубине h ;

      K                                                    K

     h   - критическая глубина потока в трубе.

      K

При заданном типе входного оголовка расчетные расходы круглых, эллиптических и овоидальных труб определяют по параметру расхода.

Значения параметра расхода труб при безоголовочных типов входного оголовка следует принимать:

- с вертикальным срезом - 0,415;

- с срезом параллельно откосу - 0,46;

- для раструбного оголовка с углом раструбности 20° - 0,495.

"Длинные" трубы

Пропускную способность "длинной" трубы определяют по формуле:

                                     3/2

     Q = m сигма  в  кв.корень (2g) H   ,

                п  К                 0

где сигма  - коэффициент   подтопления,   который  определяется   методом

         п

последовательного приближения.

     m     - коэффициент расхода, числовое значение которого зависит   от

геметрии водослива

     в     - средняя ширина потока  в сечении с критической глубиной h .

      К                                                               K

      W

       K

в  = -----

 К    h

       K

где

     W   - площадь поперечного сечения потока при глубине h ;

      K                                                    K

     h   - критическая глубина потока в трубе,

      K

     g   - ускорение силы тяжести.

     Н   - полный гидродинамический напор.

      0

Напор перед круглыми "длинными" трубами H_дл, при уклонах близких к нулю.

     H                    l           H

      дл     H             T           T   2

    ----- = --- + 0,005 (---- - 20) (-----) ,

      T      h            h           h

              T            T           T

где

     H  - напор аналогичной "короткой" трубе.

     р  - высота трубы.

     l  - длина трубы.

      T

Как известно, дорожные водопропускные трубы пропускают не постоянные расходы, а паводок, гидрограф которого на подъеме характеризуется постоянным ростом расхода до Q_р. По значению Q_р определяются глубины и скорость на выходе гофрированных труб при безнапорном режиме протекания.

Глубины на входе из гофрированных труб с коэффициентом шероховатости h_гофр = (0,025 - 0,03) определяется по формуле параметр расхода;

              Q

    П  = ---------------- <= 0,8

     Q    2

         D  кв.корень gD

При параметрах расхода П_Q<=0,8 глубины на входе из гофрированных труб можно также определять по формулам для круглых труб.

     Скорости потока выходе из труб v_вых определяют из выражения

                   Q

         v   = ----------,

          вых   омега

                     вых

где

     омега - площадь живого сечения потока на выходе из трубы.

Глубины на выходе из раструбных оголовков труб определяют из зависимости

       h

        ВЫХ(ОГ)     b   4/3

      --------- = (----)

       h            b

        ВЫХ          р

где

     b  - отверстие трубы;

     b  - ширина оголовка в конце его.

      р

Пропускную способность гофрированных многоочковых труб при условии их раздвижки на величину не менее 0,25D определяют как сумму отдельно работающих одноочковых труб.

Расчет многоочковых труб аналогичен расчету одноочковых, при этом расход каждой трубы принимают

                 Q

         Q   = -----,

          n     n

                 T

где

    n   - количество труб.

     Т

    Q   - расход в сооружении.

Более точно длинные трубы, а также трубы подтопленные с нижнего бьефа, рассчитывают по рекомендациям Розанова Н.П. в книге "Гидравлические расчеты водопропускных труб".

Подтопленную трубу рассчитывают от нижнего бьефа к верхнему с определением глубин на выходе, в сжатом сечении, на выходе и с построением кривой свободной поверхности в трубе. После этого подбором определяется искомое значение Н.