Лекция №13 - Дорожные водопропускные сооружения

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция № 13

Тема 13. Дорожные водопропускные сооружения

Рассматриваемые вопросы:

13.1.Дорожные водопропускные сооружения и их гидравлическая классификация.

13.2.

Гидравлический расчет водопропускных труб и малых мостов.

13.1. ДОРОЖНЫЕ ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И ИХ ГИ-

РАВЛИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Инженерные сооружения железных дорог работают в условиях слож-

ного взаимодействия с потоком, если они расположены на пересечениях до-

рог с гидрографической сетью. Такие сооружения называют дорожными во-

допропускными сооружениями. Это мосты и дорожные водопропускные тру-

бы, шахтные водосбросы, дюкеры, лотки, фильтрующие насыпи и др.

Малые мосты имеют длину до 25 м, средние – от 25 до 100 м, большие

– 100 м и более. Это деление носит условный характер.

В гидравлике используется другая классификация: мосты с укреп-

ленными и неукрепленными подмостовыми руслами. Водопропускные трубы

и мосты с укрепленными подмостовыми руслами относят к одному общему

типу сооружений и называют условно малыми сооружениями. В настоящей

главе рассматриваются только такие сооружения. Гидравлические расчеты

труб и малых мостов (в указанном смысле) основаны на гидравлике потока с

неразмываемым руслом, что дает возможность назначать скорости потока,

существенно превышающие скорости естественного (не стесненного соору-

жениями) потока. Наименьшее поперечное сечение в водопропускном со-

оружении при заданном расходе воды представляет собой отверстие соору-

жения. Наибольший поперечный (горизонтальный) размер отверстия (сече-

ния, перпендикулярного к течению водотока) называют шириной отверстия.

Для круглых труб при их полном заполнении водой и для труб при их запол-

нении более чем наполовину – это внутренний диаметр трубы. Для однопро-

летных мостов ширина отверстия равна расстоянию между устоями по сво-

бодной поверхности потока. Укрепленные подмостовые сечения бывают

прямоугольные и трапецеидальные. Если в насыпи укладывают несколько

труб на одном уровне, а мост имеет несколько пролетов, то ширину отвер-

стия определяют соответственно суммированием диаметров труб и суммиро-

ванием расстояний между опорами, т. е. находят расстояние в свету. Часто

вместо «ширина отверстия» используют просто термин «отверстие» и подра-

зумевают под этим линейную величину. Ширина отверстия трубы или моста

всегда меньше ширины водотока до сооружения, следовательно, происходит

сжатие потока. С помощью гидрологических и гидравлических расчетов при

проектировании водопропускных сооружений решают главную задачу – оп-

ределяют отметку поверхности воды в верхнем бьефе сооружения, от чего

зависит отметка верха (бровки) насыпи железной дороги.

Конструкции водопропускных труб отличаются большим разнооб-

разием. По форме отверстия различают трубы прямоугольные, круглые,

овоидальные, прямоугольные с полуциркульным сводом и др. Трубы состоят

из оголовков, звеньев и фундаментов. Различают оголовки портальные, рас-

трубные, коридорные, воротниковые и др.

В прямоугольных трубах отверстием 1,0...2,5м применяют раструбные

оголовки с повышенным входным звеном. Его высота на 0,5 м больше высо-

ты нормального звена.

Применяют трубы и без оголовков. Малые водопропускные соору-

жения изготавливают из металла, бетона, железобетона, камня и дерева.

Применяют мосты – балочные, арочные, эстакадные и др. Существуют типо-

вые проекты труб и мостов. На железных дорогах в основном применяют

сборные трубы: круглые железобетонные диаметром 1,0...2,0м; прямоуголь-

ные бетонные отверстием 1,5...6,0м; круглые металлические гофрированные

диаметром 1,3...3м.

Конструкции труб и мостов изучают в курсе «Проектирование мостов и

труб». Размещение и выбор типа малых водопропускных сооружений на же-

лезных дорогах, проверку высоты насыпи и обеспечение условий нормаль-

ной эксплуатации сооружений и другие прикладные вопросы проектирова-

ния водопропускных сооружений изучают в курсе «Изыскания и проектиро-

вание железных дорог».

Гидравлическая классификация дорожных водопропускных труб и

форм движения воды в них. В зависимости от уклона дна трубы (ее лотко-

вой части) различают трубы: с нулевым уклоном (J

= 0); с

прямым малым

уклоном (J

< J

); с уклоном равным критическому (J

= J

); с прямым боль-

шим уклоном (J

> J

). Критический уклон вычисляют по формулам (8.19,[1])

и (8.20,[2]).

Рис. 13.1. Схема безнапорного движения

воды в дорожной трубе (недотопленное со

стороны нижнего бьефа)

Рис. 13.2. Схема полунапорного движения

воды в дорожной трубе

В зависимости от наличия свободной поверхности в дорожных трубах

различают движение воды в трубах: безнапорное (рис. 13.1); полунапор-

ное (рис. 13.2); напорное (рис. 13.3). При безнапорном движении (безна-

порные трубы) поток на всей длине трубы имеет свободную поверхность,

входное сечение трубы не затоплено. Это бывает при Н/h

≤ 1,2, где Н – ста-

тический напор; h

– высота трубы (или диаметр трубы d). При полунапор-

ном движении входное сечение трубы заполнено водой (поток соприкасается

с периметром отверстия по всей его длине) и на всей длине трубы поток име-

ет свободную поверхность. Это соблюдается, если 1,2 ≥ Н/h

≥ 1,4 (полуна-

порная труба). Такая форма движения воды аналогична истечению жидкости

из-под затвора. При напорном движении жидкости в трубе ее сечение запол-

нено водой на всем протяжении трубы или на большей ее части, что наблю-

дается при Н/h

> 1,4. Приведенные критерии гидравлических условий рабо-

ты труб приближенные. Они зависят от формы оголовков труб.

В подмостовых руслах

поток всегда безнапорный. В

зависимости от соотношения

между местными гидравличе-

скими сопротивлениями и со-

противлениями по длине по-

тока в трубе различают корот-

кие и длинные трубы. Корот-

кой называют трубу, длина ко-

торой не оказывает существенного влияния на ее пропускную способность,

определяющуюся главным образом условиями входа воды в трубу – местны-

ми сопротивлениями. Длинной называют трубу, в которой гидравлические

сопротивления обусловлены главным образом потерями энергии по ее длине,

но местные гидравлические сопротивления также учтены. В зависимости от

влияния уровня воды в нижнем бьефе (для безнапорных труб) различают не-

подтопленные трубы, когда уровень нижнего бьефа не влияет на ее пропуск-

ную способность, и подтопленные, когда уровень нижнего бьефа влияет на

пропускную способность трубы и напор перед ней. Эти же формулировки

относятся и к потокам в подмостовых руслах.

Рис. 13.3. Схема напорного движения воды в

трубе

Формы свободной поверхности в трубах отличаются большим разно-

образием (см. §. 8.3 [1]). Наиболее детально формы свободной поверхности

исследовал Н. П. Розанов.

Предположим, что безнапорная труба имеет малый уклон (см. рис.

13.1). В этом случае свободную поверхность потока в трубе или под мостом

можно разделить на три участка. Первый – входной. С гидравлической точки

зрения он начинается в сечении перед трубой или мостом, в котором наблю-

дается статический напор Н, и заканчивается в сечении со сжатой глубиной

. Однако по практическим соображениям за начальное сечение входного

участка принимают сечение, проходящее через нижнюю точку трубы, а чаще

через верхнюю точку трубы (на рис. 13.1 показаны штриховыми линиями).

Последнее сечение предпочтительно, так как, зная в нем площадь живого се-

чения, легко подсчитать скорость потока при входе в трубу. Обозначим дли-

ну входного участка ι

вх

и глубину h

вх

. На среднем участке (втором) длиной ι

имеем кривую подпора при возрастании глубины от h

до h. В случае непод-

топленной трубы или моста со стороны нижнего бьефа глубина h несколько

меньше критической глубины h

, но принимается равной ей. На третьем уча-

стке, называемом выходным или сливным, глубина изменяется от h

до h

нб

По практическим соображениям выходное сечение трубы совмещают с верх-

ней кромкой трубы (на рис. 13.1 показано штриховой линией). Следователь-

но, ι = ι

вх

+ ι

вых

Пусть полунапорная труба имеет малый уклон (см. рис. 13.2). Ниже

входного сечения образуется сжатая глубина h

, далее – кривая подпора, а за-

тем кривая спада. Движение воды в полунапорных трубах аналогично исте-

чению жидкости через отверстия в тонкой стенке.

Движение воды в напорных дорожных трубах аналогично истечению

через насадки. В начале трубы (см. рис. 13.3) наблюдается явление сжатия

потока (в данном случае несимметричное), благодаря чему образуется ваку-

ум. Если применяются хорошо обтекаемые входные оголовки, то вакуум в

дорожной напорной трубе не образуется. Вода из трубы может выходить без

подтопления со стороны нижнего бьефа – истечение происходит в атмосферу

с образованием кривой свободной поверхности в конце трубы (на рис. 13.3

показана штриховой линией). Если h

нб

> d, то истечение происходит под уро-

вень нижнего бьефа.

Преимущество дорожных труб состоит в том, что они не нарушают це-

лостности земляного полотна. Предпочтение отдается безнапорным трубам.

Преимущество малых мостов в том, что их применяют при малых высотах

насыпей.

13.2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ И

МАЛЫХ МОСТОВ

Гидравлический расчет отверстий безнапорных дорожных труб и ма-

лых мостов основан на аналогии с расчетом движения воды через водослив с

широким порогом, а полунапорных – на аналогии с истечением жидкости из-

под затвора.

Применение теории водослива с широким порогом к расчету без-

напорных прямоугольных труб и малых мостов. С гидравлической точки

зрения нет принципиальной разницы между течением жидкости в прямо-

угольной трубе и в укрепленном прямоугольном подмостовом русле. Над не-

подтопленным водосливом имеем течение жидкости с двумя перепадами.

Такая же форма движения воды наблюдается и при неподтопленном движе-

нии в трубах и под мостами (см. рис. 13.1). Разница в том, что высота порога

в трубах и под мостами равна нулю или же очень мала. При наличии порога

поток при входе на водослив испытывает вертикальное и боковое сжатие, а

при входе в трубу и подмостовое русло – в основном боковое сжатие, но

формы свободной поверхности воды аналогичны. Дно трубы или подмосто-

вое русло (см. рис. 13.1) имеет некоторое возвышение по отношению к дну

потока в верхнем бьефе. Нельзя смешивать разные понятия – напор и глуби-

ну перед сооружением. Условия неподтопления и подтопления для труб и

мостов фор миру юте я так же, как и для водосливов с широким порогом. Ес-

ли отметка дна трубы или отметка подмостового русла совпадает с отметкой

дна в нижнем бьефе (см. рис. 13.1), то Н

= h

нб

. Следовательно, труба (мост)

работает без подтопления, если h

нб

/ Н

< 0,8 или h

нб

/ h

≤ 1,25, и с подтопле-

нием, если h

нб

/ Н

> 0,8 или h

нб

/ h

> 1,25. Расход воды, протекающей через

прямоугольную короткую безнапорную неподтопленную трубу (мост), вы-

ражается формулой (9.16, [1]). Расход воды известен. В уравнение входят два

неизвестных – напор Н и ширина отверстия b. Задаваясь Н или b, соответст-

венно получим уравнения:

2/3

Hg2m

b = , (13.1)

где H

– полный напор;

)

g2mb

(Н

3/2

αυ

−= , (13.2)

где т – коэффициент расхода трубы (моста).

Прямоугольную трубу считают короткой, если ее длина ι

при J

≈ 0 со-

гласно Н. П. Розанову отвечает условию ι

≤ ι

пр

, где

пр

H]m39.1)m385,0(m135[ +−=ι (13.3)

Коэффициент расхода т зависит от условий входа воды в трубу и ее

формы поперечного сечения. Для прямоугольных труб без оголовков т =

0,31. С оголовками: портальным с конусами = 0,325; коридорным – 0,34; рас-

трубным – 0,36. Значение b, полученное по формуле (13.1), необходимо ок-

руглить до ближайшего большего значения в соответствии с типовыми про-

ектами.

При принятом значении b подсчитывают статический напор Н. Расчет

ведется способом последовательных приближений, так как средняя скорость

потока υ

в верхнем бьефе зависит от Н. В ходе расчетов необходимо прове-

рять соблюдение условия неподтопления водослива.

Согласно СНиП 2.05.03-84 отверстие (и высоту в свету) труб следует

назначать, как правило, не менее 1,0 м при длине трубы (или расстоянии ме-

жду смотровыми колодцами в междупутье на станциях) до 20 м.

Трубы относят к длинным, если ι

> ι

пр

в соответствии с формулой

(16.3). Увеличение длины трубы способствует повышению напора перед ней.

Статический напор для длинной трубы Н

дл

можно приближенно подсчитать

по формуле Г. С. Пичугова

ТТ

дл

)

)(20

(005,0

−

+= ,

где Н – статический напор перед такой же короткой трубой.

Из формулы видно, что при ι

= 20; Н

дл

= Н. Следовательно, длинной

трубой ориентировочно можно считать трубу с ι

> 20h

При принятой ширине отверстия трубы (моста) статический напор Н

можно определить по глубине воды в трубе (подмостовом русле), считая, что

она равна критической глубине h

. Запишем уравнение Д.Бернулли для сече-

ний перед трубой (мостом) и в трубе:

g2g2

ξΣ+

αυ

где υ

– средняя скорость потока при глубине h

Учитывая, что

и , последнее уравнение запи-

шем в виде

/1)(

ϕ=ξΣ+α

hg/

≈υ

)

1(hН

αυ

−

Критическую глубину подсчитывают по формуле (8.15).

Если не учитывать сопротивления движению φ = 1 и считая при этом υ

≈ 0, Н = 1,5h

. Например, при φ = 0,95 и υ

≈ 0 получим Н = 1,56 h

Подмостовые русла могут быть укреплены различными способами, по-

этому гидравлический расчет мостов с укрепленными руслами может быть

выполнен по допускаемой неразмывающей скорости υ

нр

. Запишем уравнение,

принимая В

= b

для неподтопленного моста

Так как ω

= Q / υ

, последнюю формулу перепишем в виде

αυ

Принимая υ

= υ

нр

и вводя в формулу коэффициент бокового сжатия

потока ε < 1, получим (строительная ширина отверстия)

εαυ

(13.4)

В первом приближении можно принять εα ≈ 1,0, так как коэффициент

Кориолиса α > 1,0.

Воспользовавшись уравнением для расхода воды в трубах и подмосто-

вых руслах с подтоплением со стороны нижнего бьефа, из него можно найти

ширину отверстия (при φ ≈ φ

)hH(g2h

−εϕ

(13.5)

Глубина h равна разности отметок поверхности воды и отметки дна

трубы (подмостового русла) при J

≈ 0. Зная h, находим . Коэффи-

циент ε ≈ 0,8... 0,9.

bh/Q ε=υ

Статический напор перед трубой (мостом)

αυ

−

Согласно СНиП 2.05.03-84 водопропускные трубы следует, как прави-

ло, проектировать с безнапорным в них движением воды. Допускается пре-

дусматривать полунапорное и напорное движение воды в трубах, сооружае-

мых на железных дорогах общей сети для пропуска только наибольшего рас-

хода (см. гл. 19), на всех остальных дорогах – расчетного расхода воды.

Полунапорные трубы. Формулу для расхода воды в этом случае (см.

рис. 13.2) получим, записывая уравнение Д. Бернулли для сечения перед тру-

бой и для сжатого сечения в трубе с глубиной h

. В результате получим:

)hH(g2bhQ

c0c

−ϕ= (13.6)

Введя коэффициент вертикального сжатия потока (в трубе) ε, получим:

hc = εh

и φε = µ коэффициент расхода. В соответствии с опытными данными

значения ε и µ, принимают соответственно: труба прямоугольная без оголов-

ков – 0,86; 0,63; портальный оголовок с конусами – 0,74; 0,62; коридорный –

0,83; 0,61; раструбный – 0,78; 0,64.

Круглые трубы. Для неподтопленных безнапорных круглых труб, а

также труб других поперечных сечений по предложению А.А. Угинчуса

применяют формулу

2/3

0к

Hg2mbQ = (13.7)

где

средняя ширина потока в сечении с критической глуби-

ной.

ккк

h/b

ω=

Формула (13.6) может быть использована и для расчета отверстий ма-

лых мостов с трапецеидальной формой живого сечения.

Получили распространение гофрированные металлические трубы (с

высотой гофра 32 мм и шагом 130 мм). Применяют гофрированные трубы со

срезом, перпендикулярным к оси трубы и параллельным откосу насыпи, и

раструбные. Внутренние поверхности гофрированных труб имеют сущест-

венно большую шероховатость, чем технически гладкие поверхности. При-

меняют гофрированные трубы с гладким лотком на 1/3 части периметра се-

чения (углубления перекрывают асфальтобетоном). Поток в косогорных тру-

бах чаще всего находится в бурном состоянии, поэтому их рассчитывают как

быстротоки.

В проектно-изыскательском институте Мосгипротранс создана техно-

логическая линия проектирования (ТЛП) малых мостов и водопропускных

труб на ЭВМ серии ЕС в системе автоматизированного проектирования

(САПР) железных дорог. Программное обеспечение включает расчеты стока

воды с бассейнов, гидравлические расчеты малых мостов и водопропускных

труб. Система управления и база данных ТЛП состоит из набора типовых

проектов труб и конструкций малых мостов. В результате с помощью ЭВМ

выбирают оптимальный вариант сооружения и создают его рабочий чертеж.

Рекомендуемая литература

1) Г. В. Железняков. Гидравлика и гидрология. М.: “Транспорт”, 1989.

2) Справочник по гидравлике. Под редакцией В.А. Большакова. Киев:

«Вища школа», 1977.

3) Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. Справочное посо-

бие. М.: «Машгиз»,1963.

4) Т.М. Башта. Гидравлика, гидравлические машины и гидравличе-

ские приводы. М.: «Машиностроение», 1970.

5) Р.Р. Чугаев. Гидравлика. Изд.3., М.- Л.: «Энергия», 1975 г.

6) Д.В. Штеренлихт. Гидравлика. М.: «Энергоатомиздат», 1984 г.

Лекцию разработал

К.т.н., доцент Полищук С.С.