2.5.1. Пример расчета

Исходные данные

Подводящий и отводящий каналы трапецеидального поперечного сечения, ширина по дну - 1 м, заложение откосов - 1,0, продольный уклон - 0,005, коэффициент шероховатости - 0,025.

Быстроток также трапецеидального поперечного сечения, ширина по дну - 1 м, заложение откосов - 1,0, продольный уклон - 0,1, коэффициент шероховатости - 0,014, длина - 50 м.

Решение.

Нормальная глубина в отводящем и подводящем каналах - 1,04 м. Нормальная глубина быстротока - 0,35 м. Критическая глубина - 0,90 м.

Глубина на изгибе равна 0,75 =0,78 м, так как .

Для определения глубины потока в конце перепада построим кривую спада. Параметры кривой спада определяем методом Б.А.Бахметева (см. раздел 1). Результаты расчетов приведены в нижеследующей таблице.

h	0.78.	0.7	0.6	0.5	0.4	0.39	0.38	0.37	0.355
l	0	0.94	3.62	10.2	31.4	36.4	42.9	52.0	78.7

Таким образом, глубина потока в конце быстротока будет 0,37м.

Определяем по уравнению гидравлического прыжка 1,74 м и 0,73 м. Так как . При отсутствии водобойного сооружения будет иметь место отогнанный гидравлический прыжок. Скорость на выходе из быстротока будет равна При такой скорости требуется защита канала бетоном. Длина кривой подпора в бетонном канале (коэф. шероховатости - 0,014) с глубины 0,37 м до 0,73 м, определенная методом Б.А.Бахметева составит 146,8м.

Для гашения энергии потока запроектируем водобойный колодец по схеме, приведенной на рис.2.11.

Определяем величину перепада по формуле (2.20), принимая =1,05 и  = 0,95

м.

. Определяем глубину колодца в первом приближении

=1,05*1,74 - (1,04+0,26) = 0,53 м.

Определяем длину колодца

= 3*1,74 =5,22 м. Принимаем 5,5 м.

58

(а - свободное растекание б - несвободное растекание в - сбойные течения )

3. Дорожные водопропускные сооружения

Для пропуска под полотном дороги стока периодических и постоянных водотоков с малых водосборных бассейнов устанавливают малые водопропускные сооружения. К малым водопропускным сооружениям относят малые мосты и дорожные водопропускные трубы.

Основной целью гидравлических расчетов таких сооружений является определение их отверстия; напора перед ними; глубины и скорости потока на выходе для определения вида укрепления в отводящем русле.

3.1. Малые мосты

Согласно действующим строительным нормам полную длину малых мостов следует назначать равными 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 и 24 м. Малые мосты могут иметь как укрепленные, так и неукрепленные русла. Неукрепленные русла рекомендуется использовать при отверстии моста более 10 м. В этом случае расчет мостов производится по методике расчета больших и средних мостов. По гидравлическим условиям различают следующие типы малых мостов:

- с прямоугольным подмостовым сечением ( рис.3.1а,б );

- свайно-эстакадные с трапецеидальным подмостовым сечением (рис.3.1в);

- со сложным сечением - арочные и другие.

В зависимости от уровня воды в нижнем бьефе выделяют мосты с незатопленным подмостовым руслом и с затопленным.

В большинстве случаев подмостовое русло не затоплено, при этом уровень воды в нижнем бьефе не влияет на пропускную способность сооружения. В этом случае выдерживается неравенство:

hнб < N H , (3.1)

где N - критерий заполнения, принимаемый в зависимости от коэффициента расхода m;

hнб - нормальная глубина нестесненного потока в нижнем бьефе.

Коэффициент расхода m для мостов с массивными устоями или эстакадных с конусами (Рис.3.1а,в ) определяют по табл.3.3 как для труб с портальными оголовками, а для мостов с откосными крыльями (Рис.3.1б) - как для труб с раструбными оголовками при соответствующих углах сходимости стенок.

59

Рис. 3.1. Виды малых мостов

Для практических расчетов значение N принимают по табл.3.1, составленной Я.В. Хомяком [5].

Таблица 3.1

m	N		kc	m		N	kc
0,32	0,84	0,76	0,45	0,35	0,83	0,80	0,52
0,33	0,83	0,78	0,47	0,35	0,84	0,78	0,54
0,34	0,81	0,81	0,49

Рассмотрим три расчетные схемы протекания потока.

Первая расчетная схема (рис.3.2) обобщает формы кривых свободной поверхности потоков в условиях свободного протекания в пределах подмостового русла, когда в конце входного участка устанавливается глубина h1 (меньше критической и меньше нормальной глубины протекания потока в подмостовом русле), которую принимают в качестве расчетной и определяют из формулы

hр=h1= kc H , (3.2)

где kc принимают по табл.3.1.

Глубина потока в выходном сечении моста принимается hвых = (0.7...0.8)hк.

60

Рис. 3.2. Первая расчетная схема малого моста

Вторая расчетная схема (рис.3.3) обобщает формы кривых свободной поверхности потоков в условиях свободного протекания в пределах подмостового русла, когда в конце входного участка устанавливается глубина h1 (меньше критической и больше нормальной глубины протекания потока в подмостовом русле). За входным участком глубина потока уменьшается. За расчетную принимается нормальная глубина подмостового русла -hом.

Рис.3.3. Вторая расчетная схема малого моста

Первая и вторая расчетные схемы возможны при выполнении условия которое для малых мостов обычно соблюдается. Для малых мостов чаще применяют первую расчетную схему, а для прямоугольных труб - вторую схему.

Третья расчетная схема (рис.3.4) обобщает формы кривых свободной поверхности потоков, когда подмостовое русло работает по схеме затопленного водослива.

61

При такой схеме в конце входного участка устанавливается глубина h1 -больше критической, но менее бытовой глубины потока в естественном русле. Эта глубина принимается за расчетную и определяется по формуле:

hр = h1 = kn H , (3.3)

где kn - принимается (табл.) в зависимости от степени затопления n=hнб/H.

Рис. 3.4. Третья расчетная схема малого моста

Для всех расчетных схем пропускная способность малого моста определяется по формуле:

(3.4; 3.5)

(3.6)

где коэффициент подтопления, определяемый по табл.3.2 в зависимости от ;

- скорость потока при подходе к мосту;

- для трапецеидального подмостового русла (средняя ширина потока при его глубине равной критической; для прямоугольного подмостового русла - равна величине отверстия моста).

При расчете отверстия мостов без учета аккумуляции в качестве расчетного принимается максимальный расход, определяемый гидрологическим расчетом.

62

Таблица 3.2

n	п	кп			1
	Коэффициент расхода m = 0,32
0,84	1	0,59	1	1,19	6,9
0,86	0,96	0,64	1,25	1,13	4,8
0,88	0,90	0,69	1,57	1,07	3,4
0,90	0,84	0,74	2,04	1	2,24
0,92	0,76	0,80	2,65	0,92	1,40
0,94	0,67	0,85	3,52	0,82	0,80
0,96	0,56	0,90	5,00	0,71	0,40
0,98	0,40	0,95	8,60	0,55	0,10
0,99	0,28	0,97	15,0	0,43	0,05
	Коэффициент расхода m = 0,34
0,81	1	0,61	1	1,23	7,3
0,82	0,95	0,63	1,1	1,2	6,3
0,83	0,96	0,65	1,2	1,17	5,5
0,84	0,94	0,87	1,31	1,14	4,73
0,86	0,90	0,71	1,36	1,08	3,6
0,88	0,85	0,75	1,88	1,02	2,60
0,90	0,79	0,80	2,35	0,95	1,75
0,92	0,72	0,84	2,90	0,88	1,15
0,94	0,64	0,88	3,30	0,78	0,70
0,96	0,53	0,92	5,30	0,68	0,35
0,98	0,38	0,96	8,65	0,53	0,10
0,99	0,27	0,98	15,00	0,42	0,05
	Коэффициент расхода m = 0,36
0,78	1	0,64	1	1,28	8,05
0,80	0,97	0,67	1,14	1,23	6,50
0,82	0,94	0,71	1,34	1,17	5,10
0,84	0,91	0,74	1,54	1,11	4,05
0,86	0,88	0,77	1,77	1,05	3,05
0,88	0,81	0,81	2,11	0,99	2,25
0,90	0,75	0,84	2,53	0,92	1,55
0,92	0,69	0,87	3,05	0,85	1,05
0,94	0,60	0,90	3,90	0,76	0,50
0,96	0,51	0,93	5,20	0,67	0,35
0,98	0,36	0,97	8,70	0,52	0,10
0,99	0,26	0,98	15,00	0,41	0,05

При определении отверстия моста возможны два расчетных случая.

63

1. Известно: расход, тип устоев моста (коэффициент расхода), уклон дна подмостового русла, глубина в отводящем русле, напор перед мостом.

Нужно определить отверстие моста и скорость потока для назначения вида укрепления русла.

2. Известно: расход, тип устоев, уклоны подмостового и отводящего русел, глубина в отводящем русле, допустимая скорость потока под мостом.

Нужно определить отверстие моста и напор перед мостом.

Основные зависимости для выполнения расчетов можно представить в следующем виде.

а) для неподтопленных подмостовых русел

(3.7)

(3.8)

б) для подтопленных подмостовых русел

(3.9)

, (3.10)

где  = hр/ hкм - расчетный коэффициент, определяемый по табл. 3.1.

Допустимая скорость устанавливается по принятому виду укрепления (обычно ). Если средняя скорость неизвестна, то допустимую скорость можно определить по формуле Ю.Н.Даденкова [5].

(3.11)

где допустимая скорость при глубине потока 1 м;

коэффициент определяемый по табл. 3.1.

Расчет моста выполняется методом последовательных приближений в следующей последовательности.

64

1.Устанавливается значение коэффициента расхода m (табл.3.3) и критерия затопления N (табл.3.1).

2.Устанавливается значение допустимой скорости движения в подмостовом русле.

3. Определяется значение напора воды перед мостом по зависимости (3.7).

3. Проверяется условие затопления.

4 Если подмостовое русло не затоплено, отверстие моста определяется при п =1 по формуле(3.4 ). Если русло затоплено, то расчет необходимо вести с учетом подтопления (см. ниже).

5.Полученная величина b округляется в большую сторону до стандартного значения b1.

6. Определяется новое значение напора и проверяется условие затопления.

7. В случае если условие затопления не изменилось, определяют значения нормальной и критической глубин в подмостовом русле, по которым определяют расчетную схему малого моста.

Для выбранной схемы определяют значение расчетной глубины и определяют скорость потока в расчетном сечении по формуле

8. Проверяется выполнение условия . Если условие не выполняется, то необходимо назначить другой вид укрепления подмостового русла или увеличить отверстие моста и расчет повторить.

При третьей расчетной схеме подмостовое русло затоплено и порядок расчета следующий.

1. Определяем наибольшую возможную скорость в подтопленном подмостовом русле по формуле

и назначаем значение расчетной скорости.

2. Для вычисления действительного напора определяем значение вспомогательной функции

65

3. По табл.3.2, по значениям m и , принимая предельную степень подтопления, определяем .

4. Определяем действительный подпор по формуле (3.9).

5. Определяем отверстие моста по формуле и округляем его до стандартного - .

6. Для установления нового напора вычисляем значение вспомогательной функции

7. По табл. 3.2, по значениям находим степень и коэффициент подтопления.

8. Определим подпор перед мостом во втором приближении по формуле .

9. Определим величину подпора в третьем приближении с учетом значения степени подтопления по формуле .Расчеты величины подпора продолжаем до выполнения условия: приближенного равенства подпоров предпоследнего и последнего приближений.

10. Определяем действительную глубину и скорость в расчетном сечении.

11. Проверяется выполнение условия . Если условие не выполняется, то необходимо назначить другой вид укрепления подмостового русла или увеличить отверстие моста и расчет повторить.

66

Пример расчета

Исходные данные.

Определить отверстие моста и напор воды перед мостом, если Q =16 = 4 м/с; = 1,6 м; мост с прямоугольным подмостовым сечением ( рис.3.1а );

Решение

1. По таблицам устанавливаем, что m = 0.32 (табл.3.3), N =0.84,  =0.76.

2. Принимая первоначально определим напор перед мостом по формуле (3.7)

3. Проверяем условие затопления.

NH =0.84*1.6 = 1.34 м < = 1,6 м, подмостовое русло затоплено и поэтому напор H должен быть пересчитан.

4. Определяем наибольшую возможную скорость в подтопленном подмостовом русле по формуле

Так как максимальная скорость меньше допустимой, то расчетную скорость принимаем равной 3,3 м/с.

5. Для вычисления действительного напора определяем значение вспомогательной функции

Затем по табл.3.2 для m = 0.32 и принимаем предельную степень подтопления n = 0,84 и тогда

6. Определяем действительный напор перед мостом

7. Определяем отверстие моста по формуле (3.10),

,

Округляем b до стандартного значения 5 м.

8. Для определения нового значения напора перед мостом вычисляем значение вспомогательной функции

67

По табл.3.2 для находим, что

Тогда .

9. Определим степень заполнения . Так как то уточнять значение напора во втором приближении нет необходимости.

10. Глубина потока в расчетном сечении при (табл.3.2) будет равна .

Тогда скорость в расчетном сечении

Таким образом, условие