Приложение 6 (рекомендуемое). Расчет водоотводных устройств

Приложение 6
Рекомендуемое

Расчет водоотводных устройств

Теплотехнический расчет водотока

6.1. Граничным условием возможного образования наледи можно считать охлаждение потока до 0°С в пределах расширенного русла, наледного пояса или плоского лотка. Дальнейшее охлаждение потока вызовет накопление внутриводного льда, шуги, формирование ледяного покрова.

Потери тепла потоком на таких участках русла определяются как сумма составляющих элементов теплообмена воды с окружающим пространством по формуле

, (П.6.1)

где - поступление тепла в поток и - потери тепла потоком в окружающую среду.

Поступление тепла в поток за счет перехода в форму тепла части энергии - , расходуемой потоком на преодоление гидравлических сопротивлений, устанавливается по формуле:

, Вт/м, (П.6.2)

где Q - расход потока, ; I - уклон дна русла или лотка в долях единицы; В - ширина потока (лотка), м; - рассчетная# длина потока, равная 1 м; 9780 - размерный коэффициент, ; - объемная масса воды, .

Поступление тепла в поток от грунта ложа водотока () можно принять по данным экспериментальных исследований: для водотоков района ж.-д. линии Тайшет-Лена =2,5 ; для районов, расположенных в пределах 40 - 50° северной широты =3,48 ; для районов, расположенных в пределах 50 - 60° северной широты =4,64 .

Тогда поступление тепла в поток на участке русла или плоского лотка составит

, вт/м. (П.6.3)

Для временно действующих водотоков, питающихся грунтовыми водами, величину не определяют.

Для определения потерь тепла поверхностью распластанного потока от испарения и конвекции в зимних условиях использованы формулы С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, К.И. Россинского (1947, 1975), наиболее четко отражающие физическую сторону явления.

Теплопотери при непосредственном теплообмене с атмосферой

, вт/м, (П.6.4)

где - коэффициент теплоотдачи от поверхности воды к воздуху, ; - температура потока, °С, - температура воздуха (принимается здесь и далее с соответствующим знаком), °С; - средняя скорость ветра в осенне-зимний период, измеряемая на высоте 1 м от поверхности воды (принимается по данным климатического справочника), м/с.

Теплопотери открытой поверхности потока за счет испарения при средней скорости ветра 2-3 м/с:

, , (П.6.5)

где Р - упругость паров воздуха, содержащихся в атмосфере, принимаемая по натурным замерам или определяемая по формуле:

.

Подставляя значения Р и размеры лотка, получим

. (П.6.6)

Теплопотери за счет эффективного излучения водной поверхностью представляют разность между излучением тепла водой и встречным излучением атмосферы.

, Вт/м, (П.6.7)

где П - доля неба, покрытая облаками. Можно считать, что в дни, когда есть осадки, небо полностью покрыто облаками, тогда

, (П.6.8)

где n - количество дней в месяце с осадками; m - количество дней в месяце; i - количество месяцев в зимний период.

Теплопотери на таяние твердых осадков

, Вт/м, (П.6.9)

где - слой осадков в сутки, мм; h - слой осадков в месяц (принимается по климатическому справочнику), мм.

Теплопотери потоком в грунт

, Вт/м, (П.6.10)

где - температура грунта в естественных условиях для временно действующих водотоков и потоков, питающихся грунтовыми водами. Для постоянно действующих водотоков - температура грунта в зоне "талика" в наиболее холодный месяц зимнего периода принимается по данным натурных измерений. При отсутствии данных натурных измерений рекомендуется принимать =0°C; - сумма термических сопротивлений материала лотка или грунта в .

Величина определяется по формуле

, (П.6.11)

где =4,64 - коэффициент теплоотдачи от воды к материалу лотка, ; - толщина стенки лотка или отмостки наледного пояса, м; - толщина слоя грунта, имеющего температуру ниже температуры воды потока, м; - коэффициенты теплопроводности, соответственно, материала лотка и грунта (принимаются по нормативной или справочной литературе), Вт/м град.

Теплопотери потоком в воздух через материал пояса или лотка

, Вт/м, (П.6.12)

где - коэффициент теплоотдачи от поверхности стенок лотка или пояса в воздух, ; - скорость ветра, м/ч.

В конечном виде уравнение теплового баланса потока на участке расширенного русла, наледного пояса или плоского лотка имеет вид

, Вт/м (П.6.13)

Расстояние охлаждения потока L до 0°С в плоском лотке или на участке расширенного русла, наледном поясе определяется по формуле

, м (П.6.14)

где =1000 - объемная масса воды; Q - расход потока, ; С=4,2 кДж/кг °С - удельная теплоемкость воды; - потери тепла потоком, Вт/м; - начальная температура потока, °С; 3,62 - тепловой эквивалент одного в кДж.

Температура потока в конце расчетного участка определяется по формуле

, град (П.6.15)

где - потери тепла потоком на рассматриваемом участке русла или лотка, Вт/м; L - длина участка, м.

Температура потока t в некотором сечении расширенного русла, наледного пояса или плоского лотка на расстоянии l от начала расширяемого участка определяется по формуле

, град. (П.6.16)

Таблица П.6.1. Коэффициент шероховатости

Характеристика поверхности наледного пояса или плоского лотка	Коэффициент шероховатости, n
Мощение булыжным камнем	0,020
Мощение из грубого камня	0,022
Грубая бутовая кладка	0,027
Мощение из крупного камня	0,030
Мощение из рваного камня	0,035
Мощение с изюмом из крупного камня	0,040
Мощение с изюмом из рваного крупного камня	0,045
Обсыпка скальным грунтом	0,045
Гладкая бетонная поверхность	0,015
Шероховатая бетонная поверхность	0,017
Грубая бетонная поверхность	0,025
То же с усиленной шероховатостью	0,030

6.2. Пример теплотехнического расчета распластанного водотока в плоском лотке, расположенном у противоналедного вала.

Данные для расчета. Район проектирования - Западный участок БАМ. Расход водотока в осенне-зимний период Q=20 л/с=0,020 . Продольный уклон русла I=0,010. Температура потока в осенне-зимний период =0,2°C. Среднемесячная температура воздуха в первый месяц развития наледи (октябрь) =-15,1°С. Среднемесячная скорость ветра в октябре v=1,4 м/с.

Решение. Расчет заключается в определении размеров плоского лотка и выборе типа укрепления, способствующего интенсивному охлаждению потока и образованию наледи.

Исходя из наличия местных строительных материалов для укрепления плоского лотка принято мощение булыжным камнем. Коэффициент шероховатости n=0,020 определен по табл. П.6.1. В пределах отмостки принимаем глубину потока h=2 см. По формуле (2.2) устанавливаем ширину плоского лотка В=3,3 м.

Определяем составляющие уравнения теплового баланса по формулам (П.6.1 - П.6.16)

Вт/м,

Вт/м,

,

Вт/м,

Вт/м.

Для Западного участка БАМ n=0,6 - 0,8. Принимаем n=0,8, тогда

Вт/м,

Вт/м.

По данным натурных измерений глубина сезонного промерзания в районе проектирования в октябре составляет 0,5 м; температура грунтов в зоне сезонного промерзания - 1,0°С. Принимаем

Вт/м. град; м

Вт/м. град; м

По формулам П.6.11 и П.6.10 определяем

,

Вт/м,

,

Вт/м.

Определяем потери тепла на отмостке плоского лотка по формуле П.6.13

Вт/м.

Назначаем длину отмостки лотка L=15 м.

Температуру потока в конце плоского лотка у щита противоналедного вала определяем по формуле П.6.15:

°С.

Таким образом, на участке отмостки плоского лотка в зимний период следует ожидать охлаждение потока ниже 0°С, что обеспечит формирование на нем наледи. При дальнейшем понижении температуры воздуха будет происходить рост наледи и отложение льда до конца зимнего периода.

Гидравлический расчет водоотводных устройств

6.3. Отвод наледных вод за пределы защищаемого объекта осуществляется самотечно по водоотводным устройствам, искусственным руслам, открытым канавам трапециевидной, секторной, треугольной формы, лоткам, трубопроводам или с помощью водосбросных скважин. Трубопроводы, преимущественно подземной прокладки, применяются, как правило, на застроенных участках, под дорожным полотном при отсутствии сильнольдистых вечномерзлых пород. Размеры поперечных сечений водоотводных устройств определяются гидравлическими расчетами из условия пропуска расчетного расхода воды вероятностью превышения 1:50 (2%) на дорогах I категории, 1:25 (4%) на дорогах II категории, 1:20 (5%) на дорогах III и IV категории.

Гидравлические расчеты канав, русел, лотков производятся, исходя из двух основных уравнений равномерного движения потока в русле

, (П.6.17)

, (П.6.18)

где Q - расход воды, /с; - площадь живого сечения потока, ; v - средняя скорость течения воды, м/с; i - продольный уклон дна русла, доли единицы; С - скоростной коэффициент, определяемый по формуле Н.М. Павловского; R - гидравлический радиус, м.

, (П.6.19)

, (П.6.20)

где n - коэффициент шероховатости русла, см. табл. П.6.1; у - показатель степени, определяемый с достаточной для практических целей точностью по формулам:

- смоченный периметр, м.

6.4. Водоотводные канавы, искусственные русла трапециевидного сечения проектируются так, чтобы средняя скорость течения воды в них находилась в диапазоне незаиливающей и неразмывающей скорости. Незаиливающую и неразмываивающую скорости можно определить по формулам

(П.6.22)

, (П.6.23)

где А - коэффициент, зависящий от средневзвешенной гидравлической крупности наносов и равный: при =1,5 мм/с - 0,33; при  мм/с - 0,44; при =3,5 мм/с - 0,55; - допускаемая неразмывающая скорость течения потока при гидравлическом радиусе, равном 1 м, принимается по табл. П.6.2.

Канавы и русла трапециевидного сечения характеризуются двумя расчетными показателями

, (П.6.24)

где b - ширина канавы или русла по дну, м; h - глубина наполнения канавы или русла, м; - угол откоса русла.

Таблица П.6.2. Допускаемые (неразмывающие) скорости течения потока в грунтовом русле (при значении гидравлического радиуса R=1 м)

Наименование грунтов	Допускаемая скорость, v , м/с 0
Ил Глина Тяжелый суглинок Средний суглинок Легкий суглинок Крупный песок (d = l - 2 мм) Средний песок (d = 0,5 мм) Мелкий песок (d < 0,5 мм) Малоразложившийся торф Разложившийся торф	0,20 0,75 - 1,25 0,70 - 1,20 0,65 - 1,00 0,60 - 0,90 0,60 - 0,75 0,40 - 0,60 0,25 0,50 - 1,20 0,30 - 0,90

При проектировании русла с малыми продольными уклонами в устойчивых грунтах принимается меньшее значение . При больших уклонах и при неустойчивых грунтах принимают большее значение для уменьшения средней скорости течения. Не следует принимать значение более 10-12. Уклон русла не должен быть меньше 0,005.

Значение коэффициента m зависит от величины угла наклона откоса, который данный грунт может сохранить, под водой, и принимается по табл. П.6.3.

Таблица П.6.3. Коэффициент откоса m в зависимости от вида грунта

Наименование грунтов	Коэффициент откоса, m
Очень плотная глина	1,0
Суглинистая почва	1,0-1,25
Супесчаная почва	1,5
Песчаная почва	1,5-2,0
Песчано-глинистый грунт, насыщенный водой	3,0
Торф	0,5-1,0

Показатель и глубина наполнения h гидравлически наивыгоднейшего сечения канавы или русла рассчитываются по формулам

, (П.6.25)

(П.6.26)

По исследованиям С.Т. Алтунина русло будет устойчиво в плане, если его ширина по урезу воды составит не менее .

Гидравлический расчет канавы или русла трапециевидной формы выполняется при заданных значениях Q, v, m, n, i. При этом определяются площадь поперечного сечения потока , гидравлический радиус R, смоченный периметр , глубина потока h по формулам

, (П.6.27)

(П.6.28)

, (П.6.29)

. (П.6.30)

Из двух возможных значений h выбирается меньшее и определяется ширина русла по низу

. (П.6.31)

Предварительно до начала расчета проверяется выполнение условия

. (П.6.32)

Невыполнение этого условия говорит о том, что при заданных Q, V, n, m и i расход Q не может быть пропущен по руслу принятого размера.

Если в результате расчета не будут получены удовлетворительные размеры русла, то его необходимо проектировать с укреплением. Форму русла с укреплением целесообразно принимать близкой к гидравлически наивыгодной, что обеспечивает минимальный объем работ по укреплению русла.

6.5. Пример расчета. Определить необходимые размеры трапециевидного русла для отвода наледного водотока в легких суглинках. Расчетный расход , коэффициент шероховатости n=0,025, уклон i=0,005. Гидравлическая крупность наносов =1,5 мм/с.

Предварительно примем V=0,45 м/с, m=1,5. Показатель степени у положим равным 0,25.

Проверим выполнение условия (П.6.32):

.

.

0,16<0,263 - условие выполняется.

Определим площадь сечения русла , гидравлический радиус R, смоченный периметр и глубину потока h:

,

,

Ширина потока по низу  м, показатель . Рекомендации по величине выдержаны.

Ширина русла по урезу воды  м.

Необходимая ширина русла по условию устойчивости в плане  м, следовательно, русло в плане устойчиво.

Рассчитываем незаиливающую и неразмывающую скорости, приняв значение =0,7 м/с,  м/с, неразмывающую скорость,  м/с.

Ранее принятое значение V=0,45 м/с находится в пределах между незаиливающей и неразмывающей скоростями. Таким образом, все необходимые условия по расчету устойчивого русла выполнены.

6.6. Водоотводные каналы могут проектироваться секторного и треугольного профилей. Канава секторной формы обладает большей устойчивостью, а треугольной формы способна обеспечить постоянную скорость течения воды при колебаниях расхода потока.

Водопропускная способность канавы секторной формы при заданном значении скорости течения воды определяется по формулам:

где v - скорость течения воды, м/с; m - положение откоса канавы на уровне уреза воды.

Размеры и гидравлические элементы канавы секторной формы при заданном расходе определяются по формулам:

радиус сектора

(П.6.34)

ширина канавы по линии уреза воды

; (П.6.35)

глубина канавы

; (П.6.36)

площадь живого сечения потока

; (П.6.37)

гидравлический радиус

. (П.6.38)

Формулы могут применяться при заложении откоса m=от 1,5 до 7.

6.7. Водопропускная способность канавы треугольной формы с заложением откосов и при заданной скорости течения воды определяется по формуле

, (П.6.39)

Размеры и гидравлические параметры канавы треугольной формы при заданном расходе определяются по формулам:

глубина потока воды

(П.6.40)

ширина канавы по линии уреза воды

, (П.6.41)

площадь живого сечения потока

, (П.6.42)

гидравлический радиус

, (П.6.43)

смоченный периметр

, (П.6.44)

где и - коэффициенты правого и левого откоса канавы.

6.8. Диаметр D трубопроводов (самотечных отводящих труб), площадь живого сечения потока и гидравлический радиус определяются по формулам

(П.6.45)

; (П.6.46)

. (П.6.47)

При значении показателя y=1/6 формула для расчета диаметра трубопровода принимает вид

, (П.6.48)

где n - коэффициент шероховатости материала трубы (определяется по гидравлическим справочникам); Q - расчетный расход, /ч; - расчетное заполнение трубопровода; i - уклон трубопровода, доли единицы; у - показатель степени в формуле Шези.

6.9. Пропускная способность водосбросных скважин или водосбросов рассчитывается по формуле

, (П.6.49)

где d - диаметр трубы, м; Н - напор воды над входным оголовком, м; h - перепад высоты от входного оголовка до выпуска, м; / - длина трубы (в случае водосбросной скважины l=h), м; - коэффициент сопротивления при входе в трубу (при острых кромках трубы =0,5, при закругленных ); - сумма коэффициентов местных сопротивлений; - коэффициент сопротивления трубы,

(П.6.50)

По условию образования водоворотной воронки над входом в трубу минимальное значение Н не должно быть меньше критического , определяемого по формуле

(П.6.51)

Если по условию образования вакуума или водоворотной воронки конструкция входного оголовка не проходит, то необходимо предусматривать специальные конструкции входа в трубу, например, типа шахтного водосброса.

Безналедный пропуск водотоков в канавах и лотках

6.10. Безналедный пропуск водотоков обеспечивается путем спрямления русла водотока и концентрации потока в углубленных канавах или лотках при протекании его в полосе отвода, а также в пределах мостов и труб. Для районов с суровыми климатическими условиями безналедный пропуск водотока по углубленным канавам или лоткам возможен при определенной их ширине и глубине.

Ширина потока В, при которой не будет происходить образование наледи, определяется по формуле теплового баланса водотока:

(П.6.52)

где Q - расход водотока в осенне-зимний период, /с; - термическое сопротивление теплоотдаче с поверхности открытого водотока, град/Вт; =23,2  - коэффициент теплоотдачи с поверхности; - термическое сопротивление теплоизоляции (лед, снег, утеплитель), ; - толщина i-гo слоя теплоизоляции, м; - коэффициент теплопроводности i-го слоя теплоизоляции,; I - уклон канавы (лотка); - объемная масса воды, кг/ ; - приток тепла со дна водотоков, Вт/; Т - разность между температурой водотока у нижней поверхности льда и расчетной температурой наружного воздуха, которая принимается равной среднему из абсолютных минимумов за рассматриваемый период, град; - температура воды у начала расчетного участка, град; - температура воды в конце расчетного участка, град; L - длина рассматриваемого участка, м; С=4,19  - теплоемкость воды; 9,81 - размерный коэффициент, ; 101,7 - механический эквивалент теплоты, .

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

6.10. В тех случаях, когда водоток у начала расчетного участка имеет температуру 0,2°С и ниже, допускать ее понижение нельзя. В этом случае ширина лотока В определяется по формуле

(П.6.53)

Если расчетная ширина потока окажется более 0,6 м, целесообразно применять углубление и профилирование русла. При ширине потока менее 0,6 м следует применять открытые, полузакрытые и утепленные лотки (рис. П.6.1, П.6.2).

6.11. Граничным условием начала образования кромки льда в лотке принимается охлаждение потока до температуры 0°С.

Перепад температуры потока в заданном сечении лотка на расстоянии l от его начала определяется по формуле:

, (П.6.54)

где W - потери тепла водотоком на 1 м длины лотка, Вт/м, (табл. П.6.5); Q - расход водотока, /сек.

Остальные обозначения те же, что в формуле (П.6.14).

Потери тепла потоком, сосредоточенным в лотке, определяются как сумма составляющих элементов теплообмена воды с окружающим ее пространством с учетом потерь тепла через поверхность и в материал лотка, или водопропускной трубы, а также поступления тепла от грунта ложа водотока и за счет перехода кинетической энергии в тепловую.

Для районов Сибири и Дальнего Востока, имеющих метеорологические параметры, равные приведенным в табл. П.6.4, потери тепла водными потоками с расходом до 20 л/с, сосредоточенными в лотках рассмотренных типов, даются в табл. П.6.5.

Таблица П.6.4. Метеорологические параметры районов

Районы	Расчетная минимальная среднемесячная температура самого холодного месяца, °С	Средняя скорость ветра в самом холодном месяце, м/с	Средняя мощность снежного покрова в расчетном месяце, см
1	до -32,5	до 2,8	До 35
2	до -40,0	до 3,2	до 15
3	до -44,0	до 1,5	до 22
	и ниже	и менее	и менее

Таблица П.6.5. Теплопотери потока в лотках, Вт/м

Тип лотка по рис. П.6.1 П.6.2	Район 1			Район 2			Район 3
	При ширине лотка, м
	0,3	0,4	0,6	0,3	0,4	0,6	0,3	0,4	0,6
1	290	369	446	311	421	587	322	395	542
2	29,1	31,3	32,5	38,4	41,4	42,9	46,1	50,6	53,0
3	21,4	24,1	25,2	28,9	31,9	33,4	35,9	40,4	42,8
4	33,3	41,4	48,6	44,3	50,0	58,3	48,5	53,9	64,0
5	18,5	20,8	21,7	24,9	27,5	28,9	30,8	34,7	36,8
6	25,1	27,0	28,0	33,1	35,7	36,7	39,7	43,6	45,6
7	229	270	359	247	302	414	309	371	516
8	193	220	246	201	243	323	259	313	405
9	164	187	209	171	207	274	220	266	344

Примечание. Для лотков 7, 8 и 9 типа потери тепла определены в трубах с отверстиями, закрытыми деревянными щитками.

Для водотоков с расходом более 20 л/с приведенные в табл. П.6.5 значения потерь тепла следует уменьшать на величину , определяемую по формуле П.6.2.

При учете потери тепла потоком, сосредоточенным в лотке бетонной трубы, через материал оголовков, и расчетах следует принимать длину лотка, увеличенную на размер отверстия трубы.

Пример. Требуется проверить возможность безналедного пропуска потока в третьем районе под мостом на участке длиной 60 м. Расход водотока в осенне-зимний период Q=20 л/с. Начальная температура потока в осенне-зимний период t=0,15°С. Средний уклон русла под мостом 0,004.

Расчет. В соответствии с рельефом местности длина лотка назначается в 71 м. Конструкция открытого лотка принимается типа 1, ширина по дну 0,3 м. По формуле (П.6.54) перепад температур в лотке:

°C.

Следовательно, пропуск потока в лотке типа 1 без образования наледи невозможен.

Проверяем пропуск потока в утепленном лотке типа 3. В лотке этого типа перепад температур составит

°C.

Температура потока на выходе из лотка составит

°C.

Следовательно, при применении утепленного закрытого лотка безналедный пропуск потока под мостом обеспечивается.