Определение геометрических параметров труб

При строительстве автомобильных дорог на местности приходится преодолевать различные препятствия: реки, каналы, овраги, суходолы, горы. Для обеспечения непрерывного и безопасного движения автомобилей в местах перехода через эти препятствия устраивают искусственные сооружения: мосты, трубы, путепроводы, эстакады, тоннели, мосты-плотины, специальные сооружения на горных дорогах (подпорные и одевающие стены, галереи). Мосты и трубы – наиболее распространенные виды искусственные сооружений на автомобильных дорогах, служащие для пропуска водотоков.

Трубами (рисунок 1) называют искусственные сооружения, устраиваемые в теле насыпи для пропуска небольших постоянных или периодически действующих водотоков. Трубы составляют наибольшее количество водопропускных сооружений на дорогах (до 85% от их общего количества). Устройство труб при небольших расходах воды обычно значительно дешевле возведения малых мостов. Положительное значение имеет также сохранение непрерывности земляного полотна дороги над трубой, что позволяет водителям не уменьшать скорости движения при подходе к сооружению.

Рисунок 1 Схема водопропускной трубы: 1 – насыпь; 2 – труба

Чаще всего используют круглые трубы, реже – прямоугольные и других поперечных сечений.

Насыпь над трубами сохраняется, а на мосту нет. Под насыпями автомобильных дорог ниже I категории допускается применять трубы диаметром 1 м при длине не более 30 м. При строительстве автомобильных дорог применяют

типовые унифицированные водопропускные сборные железобетонные трубы круглого сечения d = 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0 м.

Данный расчет выполняется в курсовом проекте с целью определения геометрических параметров труб, обеспечивающих пропуск максимальных расходов как талых вод, так и дождевых вод с расходами обеспеченностью 1%, формируемых на водосборах временных водотоков, русла которых пересекает трасса реконструируемой дороги. Водопропускные трубы выполняются как без фундамента, так и на сборном фундаменте.

Рассчитаем водопропускную трубу на пикете. Целью расчета является определение длины трубы, а также того, к какому типу она относится – к коротким или длинным трубам, а также определение максимальных мгновенных расходов воды дождевого паводка, талых вод обеспеченностью 1 %, который способна пропустить труба в безнапорном режиме. В настоящем проекте дорожная насыпь по трассе Рудники – Чеснова не рассматривается как тело водоподпорного сооружения, поэтому условия работы водопропускных труб будут характеризоваться безнапорным режимом.

Влияние длины водопропускных труб на их пропускную способность оцениваем для случая i ≈ 0 согласно выражению:

4*Н ≤ l ≤ (64 – 163 *m) * Н, (1)

где:

Н – напор на входе в трубу, м;

I – длина водопропускной трубы, м;

m – коэффициент расхода:

m = m₀ + (0,385 - m_σ)*F_σ, (2)

где:

m_σ = 0,300 – коэффициент расхода, зависящий от очертания стенок входного оголовка водопропускной трубы, согласно принятой схемы ее входной части, выпущенной из откоса насыпи «с неплавным входным оголовком».

F_σ = σ / (3 – 2 * σ), (3)

σ = ω_н /Ω, (4)

где:

ω_н – сечение трубы, вычисляемое при глубине, равной напору над порогом – Н, м;

Ω = Н * В – площадь сечения подводящей русла,

где:

В – ширина потока на входе водопропускной трубы, м.

Допускаем возможную предельную глубину воды над порогом водопропускной трубы равной диаметру трубы, т.е. Н =1 м.

Определим все вышеприведенные параметры. Найдем длину трубы в зависимости от высоты насыпи h_нас = 3,5 м, категории дороги –?, при которой ширина земляного полотна В_з.п. = 8 м и заложения откосов m = 1:1,5.

l _тр = В_з.п + 2 * h_нас * m, (5)

l _тр = 8 + 2 * 3,5 * 1,5 = 18,5 м.

По продольному профилю дороги определяем ширину потока подводящего русла В =50 м.

Вычислим значение сечения трубы:

ω_н = π * d² / 4 = 3,14 * 1² / 4 = 0,785м²;

Определим площадь сечения подводящего русла:

Ω = Н * В = 1 * 50 = 50 м²;

σ = ω_н / Ω = 0,785 / 50 =0,0157;

F_σ = σ / (3 – 2 * σ) = 0, 0157 / (3-2*0, 0157) = 0, 0053;

По формуле (9) определяем коэффициент расхода:

m = 0,300 + (0,385 – 0,300) * 0, 0053 = 0, 30045.

4*Н ≤ l ≤ (64 – 163 *m) * Н;

4*1 ≤ 18,5 ≤ (64 – 163 *0,30045) * 1;

4 ≤ 18,5 ≤ 15,03;

4 ≤ 18,5;

15,03 ≤ 18,5.

Значит, трубы относятся к длинным.

Для уточнения полученного заключения о влиянии водопропускной трубы на ее пропускную способность используем выражение:

4∙Н≤ l ≤ (106 - 270∙m)∙h_К, (6)

где: h_К, м – критическая глубина в трубе, определённая по графикам А.М. Латышенкова для расхода в трубе Q_ТР = 1,0 м³/с;

Определяем q_m = Q_ТР / d^2,5 = 1,0 /1^2,5 = 1 м³/с;

h_К = h_km * d;

h_km = 0,58 м (по графику);

h_К = 0,58 * 1 = 0,58 м;

4∙Н≤ l ≤ (106 - 270∙m)∙h_К;

4∙1≤18,5 ≤ (106 - 270∙0,30045)∙0,58;

4≤ 18,5 ≤ 14,5;

4≤ 18,5;

14,5≤ 18,5.

Таким образом, действительно, трубы относятся к длинным трубам.

Участок автомобильной дороги на выбранном ПК характеризуется следующими параметрами:

- водосборная площадь низины – А = 1,71 км²;

- длина низины по тальвегу - L2,2 км;

- уклон по тальвегу низины - I = 85‰;

- уклон склона низины – I_СК = 117‰;

- леса занимают площадь - F_Л 0,35 км² ;

- болота на территории низины отсутствуют.

q_1% = 0, 28 л/с·км² – модуль максимального мгновенного расхода воды ежегодной вероятности превышения Р = 1% при δ = δ₂ = δ₃ =1.

Выполняем расчет максимального мгновенного расхода воды дождевого паводка 1 % обеспеченности по формуле предельной интенсивности стока:

Q_Р%= ·φ·Н_1%·δ·λ_Р%·А, (7)

где:

- максимальный модуль стока ежегодной вероятности превышения Р=1%, выраженный в долях от произведения (φ·Н_1%) при δ=1, определяемый в зависимости от гидрометрической характеристики русла низины - Ф_Р, продолжительности склонового добегания τ_СК, (мин.), и района, принимаемого по приложению 22 /8/ (СНиП 2.01.14-83). В проекте принимаем 3 район.

Н_1‰ = 75 мм – максимальный суточный слой осадков вероятностью превышения Р = 1%, определяемый по данным ближайших к бассейну низины метеорологических станций, имеющих наибольшую длительность наблюдений (м/ст. Уфа);

φ - сборный коэффициент, определяемый по формуле:

φ = , (8)

где:

С₂ - эмпирический коэффициент, равный 1,2 – для лесной и тундровой зоны; 1,3 – для всех остальных;

φ₀ – сборный коэффициент стока для водосбора, площадью «А», равной 10 км², со средним уклоном водосбора I_В = 50‰ 9для лесной зоны и серых лесных почв φ₀ = 0,28);

n₆ – коэффициент, равный для лесной зоны 0,07;

n₅ - коэффициент, равный для лесной и серых лесных почв 0,65;

А – водосборная площадь балки (по заданию).

φ = = (1,2·0,28)/(1,71·1)^0,07 · (85/50)^0,65 = 0,442.

Тогда φ*Н_1% = 0,442 · 75 = 33,15.

Определяем Ф_р – гидрометрическую характеристику русла низины:

Ф_р = (1000·L) / χ_p· J^χ_тв · А^0,25 ·(φ*Н_1%)^0,25, (9)

Для чистых русел постоянных равнинных рек:

χ_p = 11 м/мм – гидравлический параметр русла;

χ = 1/3;

J^χ_тв = 85 ‰.

Ф_р = (1000·2,2) / 11· 85^1/3 · (1,71)^0,25 ·(33,15)^0,25 =2200/132,71=16,58.

Продолжительность бассейнового добегания низины определяется по формуле:

τ_Б = 1,2·(τ_Н)^1,1 + τ_СК, (10)

где:

τ_Н – продолжительность руслового добегания потока воды по тальвегу низины, вычисляемая по зависимости:

τ_Н = , (11)

где:

τ_СК – 60 мин - продолжительность склонового добегания принимаем согласно СНиП 2.01.14-83 как для лесной зоны при заболоченности водосборного бассейна менее 20%.

τ_Н = (1000 ·2,2) / 11·(117)^1/3 · (1,71)^0,25 ·(0,28)^0,25 = 2200/38,2 = 57,6 мин.

Тогда

τ_Б = 1,2·(τ_Н)^1,1 + τ_СК = 1,2 ·(57,6)^1,1 + 60 = 163,7 мин.

По полученным значениям Ф_р = 16,58 и τ_СК = 60 мин определяем значение (приложение 21 /8/) интерполяцией

Ф_р q_1%

10 0,12

16,58

20 0,088

(20-10) – (0,12-0,088)

(16,58-10) – х;

Х = 0,021056

= 0,12 – 0,021056 = 0,099 м³/с.

χ_p% - переходный коэффициент, по приложению 19 /…/ рассматриваемый район относится к 4, тогда по приложению 20 /8/: χ_p% = 1,0.

Определим значение максимального мгновенного расхода воды дождевого паводка:

Q_Р% = 0,099 · 33,15·1·1,71=5,61 м³/с.

Проверяем возможность пропуска расхода талых вод обеспеченностью - 1%.

Выполняем расчёт расхода 1% обеспеченности талых вод по формуле:

, (12)

где:

К₀ – параметр, характеризующий дружность половодья. Определяется по данным рек-аналогов обратным путем по этой же формуле. Принимаем К₀ = 0,019;

n₁– показатель степени редукции отношения q_Р/h_Р в зависимости от площади водосбора;

h_1%– расчётный слой суммарного стока половодья 1% обеспеченности, определяемый в зависимости от значения коэффициента вариации и отношения С_s/С_v этой величины, а также среднего многолетнего слоя стока h₀ (по рекам-аналогам). В курсовом проекте принимаем 110мм;

μ - коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов, по приложению 7 /8/ принимаем 1.

А – площадь водосбора низины, км²;

А₁=1 км² – дополнительная площадь водосбора, принимаемая по приложению;

δ=1 – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды при наличии на водотоке прудов и водохранилищ;

δ₁= - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в залесённых водосборных бассейнах;

А_Л = F_Л / А = 0,35/1,71*100 = 20,5%.

α₁ = 1,0, n₂ = 0,22, принимаются по приложению 13 /8/ для равномерного распределения лесов на водосборе и 20 < А_Л < 30.

δ₁= =0,56;

n₁ = 0,17 – для лесной зоны;

δ₁= = 1,0/ (20,5+1)^0,22 = 0,51;

δ₂ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заболоченных водосборных бассейнах, при заболоченности менее 3% δ₂ = 1.

= (0,019 · 110 · 1·1)/(1,71+1)^0,17·0,51·1·1,71= 1,54 м³/с.

Если размеры водопропускной трубы, определённые по максимальному расходу дождевого паводка 1% обеспеченности, удовлетворяют и пропуску талых вод этой же обеспеченности, то она может пропустить расход, определяемый по формуле:

Q_ТР. = m·b_К·Н·(2gН)^0,5, м³/с (13)

где:

Дата добавления: 2015-06-27