Приложение В (рекомендуемое). Методика гидравлических расчетов водопропускных труб из полимерных композиционных материалов

Приложение В
(рекомендуемое)

Методика
гидравлических расчетов водопропускных труб из полимерных композиционных материалов

Расчет труб и пойменных насыпей на воздействие водного потока следует производить, как правило, по гидрографам и водомерным графикам расчетных паводков. При отсутствии гидрографов и водомерных графиков паводков, а также в других обоснованных случаях расчет сооружений на воздействие водного потока допускается производить по максимальным расходам и соответствующим им уровням расчетных и наибольших паводков.

В расчетах следует учитывать опыт водопропускной работы близкорасположенных сооружений на том же водотоке, взаимное влияние водопропускных сооружений, а также влияние на проектируемые водопропускные сооружения существующих или намечаемых к строительству гидротехнических и других речных сооружений.

При наличии вблизи мостов и труб инженерных сооружений, зданий и сельскохозяйственных угодий необходимо проверить их безопасность от подтопления вследствие подпора воды перед сооружением.

Для водопропускных сооружений, расположенных вблизи некапитальных плотин, необходимо учитывать возможность прорыва этих плотин. Вопрос об усилении таких плотин или увеличении отверстий сооружений необходимо решать комплексно путем сравнения технико-экономических показателей возможных решений.

В расчетах следует принимать максимальные расходы паводков того происхождения, при которых для заданного значения вероятности превышения создаются наиболее неблагоприятные условия работы сооружения. Вероятности превышения расходов паводков и соответствующих им уровней воды на пике паводков следует принимать по СП 34.13330:

- для автомобильных дорог I категории - 1%;

- для автомобильных дорог II и III категорий - 2%;

- для автомобильных дорог III и IV категорий - 3%.

Основной функцией водопропускного сооружения является исключение негативного влияния поверхностного стока воды на проезжую часть или железнодорожные пути, вследствие чего необходимо обеспечить режимы протекания воды через трубы из полимерных композитных материалов с исключением турбулентного режима. Данное требование необходимо в силу того, что турбулентность способна спровоцировать гидравлический удар и резонансные колебания системы "труба - насыпь", что отрицательно влияет на герметичность стыков и размыв грунта основания трубы.

Обеспечение безнапорного пропуска максимального расхода через трубы из полимерных композиционных материалов достигается при выполнении следующих условий:

- проектирование водопропускного сооружения производится с использованием исходных данных по значениям расчетных и максимальных расходов стока, определяемых с учетом возможного увеличения площади водосбора при сооружении насыпи и водоотводов и полученных на основе изыскательских работ в соответствии с положениями СП 47.13330;

- исключение возможности образования подпора путем назначения соответствующего диаметра трубы с обеспечением зазора между поверхностью потока и шелыги свода в трубе, равного не менее 1/4 отверстия трубы;

- ограничения максимального продольного уклона дна ПКТ величиной не более 50_;

- обеспечение формирования плавного сжатия потока в пределах переходных участков;

- принятие входного и выходного оголовков, исключающих возможность появления затопленного водослива и возникновения бурного протекания воды на входе и на выходе из трубы.

Принципиальная схема для гидравлического расчета для труб из полимерных композиционных материалов приведена на рисунке В.1.

Коэффициент шероховатости для водопропускных труб из полимерных композиционных материалов согласно нормативным источникам составляет порядка 0,01-0,05 мм. Данные значения рекомендуется принимать при ведении проектных разработок, но с последующей экспериментальной проверкой.

Гидравлические расчеты рекомендуется осуществлять в соответствии с положениями "Пособия по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений" [9] и методики, представленной в ОДМ 218.2.001-2009 [4], исходя из условия безнапорного режима пропуска потока и входа равнинного типа, при которых перед сооружением при пропуске расчетного расхода образуется емкость, характеризующаяся подпертой глубиной. При этом поток в ПКТ поступает в спокойном состоянии.

Определение пропускной способности ПКТ

Режим работы ПКТ является безнапорный режим. Безнапорный режим протекания сохраняется вплоть до затопления входного сечения ПКТ. При его затоплении происходит переход от безнапорного режима к полунапорному или напорному. Затопление входного отверстия ПКТ устанавливают по значениям параметра расхода , приведенным в таблице В.1

Таблица В.1 - Значения параметра расхода при переходе от безнапорного к полунапорному или напорному

Форма поперечного сечения трубы	Формула параметра расхода	Заполнение входного сечения	Значение параметра расхода труб при типах входных оголовков
			Без оголовков	Раструбный,
Круглая		0,75	0,275	0,305
		1,0	0,415	0,495
Примечание - Значения параметра расхода приведены для расчетного (первая строка) и полного (вторая строка) заполнения.

В зависимости от влияния трубы на пропускную способность различают "короткие" и "длинные" ПКТ. У "коротких" труб их общая длина не оказывает влияния на пропускную способность, у "длинных" соответственно оказывает.

Водопропускные трубы являются "короткими", для которых соблюдается условие:

(В.1)

где: - уклон трубы по проекту;

- критический уклон для труб данного отверстия.

Критический уклон вычисляют по уравнению критического состояния:

(В.2)

Или, при наличии равномерного движения, по формуле Шези:

(В.3)

где: Q - расчетный расход потока, ;

- площадь живого сечения трубы при критической глубине , м;

- ширина свободной поверхности потока при глубине, , м;

- коэффициент Шези, , по формуле Павловского:

(В.4)

где: n - коэффициент шероховатости поверхности трубы;

y - показатель степени:

(В.5)

- гидравлический радиус сечения при , м, по формуле:

(В.6)

где: - смоченный периметр сечения при , м

При с некоторым приближением "короткими" можно считать ПКТ при соблюдении критерия относительной длины:

(В.7)

где: и - соответственно длина и диаметр ПКТ.

По влиянию глубины воды в нижнем бьефе трубы из ПКТ делят на "затопленные" с нижнего бьефа и "незатопленные".

Затопленными с нижнего бьефа считают трубы (рисунок В.2), 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 (рисунок В.3)

ПКТ будут затопленными при следующих условиях:

или (В.8)

где: - глубина в нижнем бьефе над нижней точкой дна ПКТ в выходном сечении, м;

- критическая глубина в ПКТ, м;

Н - напор перед ПКТ, м.

Более точно расчет затопления производится согласно "Пособия по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений" [9].

Расход воды, пропускаемый безнапорной "короткой" неподтопленной ПКТ:

(В.9)

где: m - коэффициент расхода при совершенном сжатии потока на входе, принимаемый по таблице В.2;

- средняя ширина потока в сечении с критической глубиной, принимаемая по таблице В.3, м:

Таблица В.2 - Значения коэффициент расхода m

Форма поперечного сечения трубы	Значение параметра расхода труб при типах входных оголовков
	Без оголовков	Раструбный,
Круглая	0,31	0,33
Примечание - Значения m приведены для уклона . При уклоне, отличном от 0,01, для более точного расчета значения m следует изменять на 2% на каждое изменение уклона на 0,01.

При ширине разлива при подпертом расчетном уровне высоких вод менее шести отверстий трубы (несовершенное сжатие потока при входе в трубу) коэффициент расхода m равен:

(В.10)

где: - значение коэффициента расхода, представленное по таблице В.2;

- площадь поперечного сечения потока в ПКТ;

- площадь поперечного сечения потока в подводящем русле.

Таблица В.3 - Значения средней ширины потока [4]

		при диаметрах труб D, м
		1,0	1,25	1,5	2,0	3,0	5,0
0,02	0,49	0,49	0,61	0,73	0,98	1,47	2,45
0,03	0,52	0,52	0,65	0,78	1,04	1,56	2,6
0,04	0,57	0,57	0,71	0,85	1,14	1,71	2,85
0,05	0,59	0,59	0,73	0,88	1,18	1,77	2,95
0,06	0,62	0,62	0,77	0,93	1,24	1,86	3,1
0,07	0,63	0,63	0,78	0,94	1,26	1,89	3,15
0,08	0,64	0,64	0,8	0,96	1,28	1,92	3,2
0,09	0,66	0,66	0,82	0,99	1,32	1,98	3,3
0,1	0,67	0,67	0,83	1,00	1,34	2,01	3,35
0,12	0,69	0,69	0,84	1,03	1,38	2,07	3,45
0,14	0,72	0,72	0,9	1,08	1,44	2,16	3,6
0,16	0,74	0,74	0,92	1,1	1,47	2,2	3,68
0,18	0,76	0,76	0,94	1,13	1,51	2,26	3,78
0,2	0,77	0,77	0,94	1,15	1,54	2,31	3,85
0,25	0,79	0,79	0,99	1,18	1,58	2,37	3,95
0,3	0,81	0,81	1,01	1,21	1,62	2,43	4,05
0,35	0,82	0,82	1,02	1,23	1,64	2,46	4,1
0,4	0,83	0,83	1,03	1,24	1,66	2,49	4,15
0,45	0,84	0,84	1,04	1,25	1,67	2,5	4,18
0,5	0,84	0,84	1,05	1,26	1,68	2,52	4,2
0,55	0,84	0,84	1,05	1,26	1,68	2,52	4,2
0,6	0,84	0,84	1,05	1,26	1,68	2,52	4,2
0,65	0,84	0,84	1,05	1,26	1,68	2,52	4,2
0,7	0,83	0,83	1,03	1,24	1,66	2,49	4,15

Подпертую глубину перед безнапорными трубами определяют по формуле:

(В.11)

Если при выполнении расчета получается значение , то режим работы ПКТ безнапорный.

Лимитирующим по заполнению является входное сечение. Глубину воды на входе в ПКТ определяют по графику на рисунке В.4.

График на рисунке В.4 построен для уклона . При и глубина на входе практические не зависит от уклона, а при уклоне приближенно к нулю при тех же параметрах расхода больше на величину, примерно равную 5% диаметра трубы.

Напор перед "длинными" ПКТ определяют по формуле:

(В.12)

где: D - диаметр ПКТ, м;

- длина ПКТ, м;

Н - напор перед аналогичной "короткой" ПКТ, м.

Пропускная способность "длинной" подтопленной ПКТ определяется по формуле:

(В.13)

где: - коэффициент подтопления.

Так как , а неизвестно, то задачу решают приближением (В случае, когда задано, задача решается аналогично). При известном Q, задаваясь значением , определяют , а затем поперечное сечение потока в трубе. После этого строят кривую спада, определяют и проверяют, соответствует ли коэффициент по графику на рисунке 5.21 "Пособия по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений" [9] (при полученном значении принятому в первоначальном расчете. При несовпадении этих значений диаметр ПКТ изменяют и расчет повторяют.

Алгоритм выбора рационального типа водопропускных полимерных композитных труб

Выбор ПКТ зависит от рабочей отметки продольного профиля дороги, геометрических контуров поперечного сечения дороги, контуров сечений лога и гидравлических характеристик потока.

В основе алгоритма лежит методика расчета водопропускного сооружения.

Основные элементы алгоритма:

а) Расчет гидравлических характеристик потока на входном участке. ПКТ проектируют как водопропускное сооружение равнинного типа;

б) Расчет глубин и скоростей на всей длине ПКТ, включая входной и выходной участки;

в) Расчет глубин и скоростей потока на укреплении русла на входе;

г) Расчет параметров каменной наброски, возможности образования промоины и глубин размыва за укреплением нижнего бьефа в выходном логе;

д) Определение размеров укреплений нижнего бьефа;

е) Выбор и назначение вариантов конструкций водопропускного сооружения, удовлетворяющих всем требуемым ограничениям (по допускаемым скоростям, глубинам воронок размыва в выходном логе и т.п.).

Возможно также изменение (перепроектирование) продольного профиля водопропускного сооружения с последующим повторением расчетов.

Определение наилучшего из допускаемых вариантов должно осуществляться на основе технико-экономического сравнения по объемно-строительным показателям.

Расчет водопропускного сооружения ведется на расчетный расход. При наличии снегового и ливневого паводков и выбирают как максимальные из соответствующих расходов.

Последовательность расчета:

а) На основе анализа исходных данных по параметрам насыпи и характеристикам стока назначают тип трубы с учетом величины расхода, характера водотока. А также задаются начальным отверстием ПКТ, исходя из того, что для ПКТ на постоянных дорогах допускается только безнапорный режим.

б) Задаются параметрами продольного профиля ПКТ (уклоны на входе, выходе и в трубе, тип оголовков) и рассчитывают параметры расходов и .

в) Определяют является ПКТ "короткой" или "длинной", сравнивая критический уклон с уклоном трубы. Критический уклон определяют по графикам в "Пособии по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений" [9]. Проводят контрольную проверку по критерию относительной длины .

г) Определяют подпертые глубины при и по формуле В.11.

д) Определяют (для низких насыпей) возвышение бровки над подпертым уровнем для проектирования высоты укрепления откоса.

е) Рассчитывают глубины и скорости на выходе из ПКТ по графикам "Пособия по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений" [9].

ж) Назначают начальный тип укрепления выходного русла (каменной наброской, плитой, монолитным бетоном, сборными блоками и т.д.) по таблице В.4. Если , то меняют тип укрепления на более мощный, и так до тех пор, пока не будет удовлетворено условие либо не будут исчерпаны все возможные типы укреплений.

з) Определяют глубины возможного размыва в выходном русле принятого типа. Если максимальная глубина размыва больше 2,5 м, то переходят на следующий, более мощный тип выходного русла, и расчет повторяют. Если никакой из типов выходных русел не обеспечивает глубины размыва меньше допустимой, то увеличивают отверстие ПКТ и переходят к п. б).

и) Рассчитывают скорости и глубины потока на укреплении.

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

к) Если в результате расчетов осуществлен перебор всех допустимых отверстий ПКТ и при этом не найден вариант, удовлетворяющий всем необходимым ограничениям, то можно изменить уклоны и водопропускной тракт перепроектировать.

Таблица В.4 - Допустимые скорости течения воды (средние) [4]

Наименование грунтов, типы покрытий						Средние глубины потока, м
						0,4	1,0	2,0		3,0
1						2	3	4		5
Граниты, базальты, кварциты						15,0	18,0	20,0		20,0
Песчаник доломитовый, известняк кремнистый, плотный						4,0	5,0	6,0		6,5
Песчаник известковый, известняк доломитовый, пористый						3,0	3,5	4,0		4,5
Конгломерат, мергель, сланцы						2,0	2,5	3,0		3,5
Булыжник крупный						3,0	3,5	4,0		4,5
	средний					2,5	3,0	3,5		4,0
	мелкий					2,0	2,5	3,0		3,5
Галька крупная						1,7	2,1	2,4		2,7
	средняя					1,4	1,6	1,8		2,0
	мелкая					1,1	1,3	1,5		1,7
Гравий крупный						1,0	1,1	1,3		1,4
	средний					0,8	0,9	1,1		1,2
	мелкий					0,7	0,8	0,9		1,0
Песок крупный						0,5	0,6	0,7		0,8
	средний					0,4	0,5	0,6		0,7
	мелкий					0,2	0,3	0,4		0,5
Глины, суглинки
	малоплотные					0,35	0,40	0,45		0,50
	среднеплотные 1,20-1,66					0,65	0,80	0,90		1,00
	плотные 1,66-2,04					0,95	1,20	1,40		1,50
	очень плотные 2,04-2,14					1,40	1,70	1,90		2,10
Травяной покров отличный						0,8	1,0	1,2	1,5
		удовлетворительный				0,6	0,8	0,9	1,0
Одерновка плашмя						0,9	1,2	1,3	1,4
			в стенку			1,5	1,8	2,0	2,2
Мощение камнем
одиночное при размере камня
0,15 м						2,5	3,0	3,5	4,0
0,20 м						3,0	3,5	4,0	4,5
0,25 м						3,5	4,0	4,5	5,0
двойное						3,5	4,0	5,0	5,5
Габионы						4,0	5,0	5,5	6,0
Каменная наброска 1 слой						3,5	3,8	4,2	4,5
		2 слоя				4,0	4,2	4,5	5,0
Бутовая кладка из камня
		известковых пород				3,5	3,5	4,0	4,5
		крепких пород				6,5	8,0	10,0	12,0
Бетонные стенки М-110						5,0	6,0	7,0	7,5
				М-170		6,5	8,0	9,0	10,0
Покрытия плитные
цементобетонные на откосе
свободнолежащие 1,0x1,0 м						2,6	2,8	3,0	3,0
					до 3,0x3,0 м	2,8	3,0	3,5	4,0
омоноличенные						3,0	4,0	5,0	6,0
монолитные						3,5	4,5	6,0	7,0
гибкие ЦНИИС						2,8	2,9	3,0	3,5
в русле водотока
свободнолежащие						4,5	5,0	5,5	6,0
с упором						5,0	5,5	6,0	6,5
асфальтобетонные на откосе
квадратные 1,0x1,0						1,0	1,3	1,7	2,0
			3,0x4,0			1,5	2,0	2,5	3,0
в русле водотока 1,0x1,0						2,0	2,3	2,7	3,0
				3,0x4,0		3,0	3,3	3,7	4,0
в водоотводах покрытия плитами
цементобетонными						5,0	6,0	7,0	8,0
асфальтобетонными						3,0	3,2	3,5	4,0
секциями железобетонными						8,0	10,0	11,0	12,0