ТЕМА 7.3. Водопропускные (дорожные) трубы

Применение труб (рис. 7.3.1) предпочтительнее, чем малых мостов. Однако трубы не рекомендуется применять: на постоянно действующих водотоках с возможным ледоходом; водотоках, где возможно образование наледей; переходах через селевые потоки. В настоящее время чаще всего применяются водопропускные трубы круглого сечения. По числу отверстий трубы бывают одноочковые, двухочковые, трёхочковые и многоочковые. Согласно действующим типовым проектам дорожные водопропускные трубы имеют стандартные отверстия с внутренним диаметром 0,75; 1; 1,25; 1,5 и 2 м.

 

Рис. 7.3.1. Водопропускные дорожные трубы.

Безнапорный режим протекания потока (рис. 7.3.2 а) характеризуется наличием свободной поверхности потока на всём протяжении трубы. Труба работает в безнапорном режиме, если H ≤ 1,2 h _тр.

Полунапорный режим протекания потока в трубе (рис. 7.3.2 б) имеет два характерных участка: участок на входе и основной. Входной участок характеризуется затопленным входом в трубу, где поток соприкасается по всему периметру со стенками трубы. Входной участок заканчивается сжатым сечением с глубиной h _c < h _кр, затем поток протекает со свободной поверхностью. Условием существования полунапорного режима является критерий H > 1,2 h _тр.

Напорный режим (рис. 7.3.2 в) характеризуется тем, что всё поперечное сечение трубы по всей длине полностью заполнено водой. При напорном режиме трубы обладают наибольшей пропускной способностью. Напорный режим имеет место при одновременном выполнении трёх условий:

1) обтекаемый входной оголовок;

2) H > 1,2 h _тр;

3) i _тр < i _f, где i _тр – уклон дна трубы, – уклон трения, – скоростная характеристика

 

Рис. 7.3.2. Режимы протекания: а – безнапорный, б – полунапорный, в – напорный.

 

Наименьшая допустимая высота насыпи Н _min над трубами устанавливается расчётом в соответствии с приведенными ниже формулами:

а) по засыпке грунта при безнапорном режиме (рис. 7.3.3 а) H _min = h _тр + h _кон + h _зас;

б) при полунапорном и напорном режимах (рис. 7.3.3 б) H _min = Н + D.

Здесь h _тр – высота (диаметр) трубы; h _кон – толщина стенки трубы; h _зас – высота засыпки (не менее 0,5 м); Н – напор перед трубой; D – запас над уровнем подпёртых вод, принимаемый для труб малых отверстий не менее 0,5 м, а для труб отверстием 2 и больше – не менее 1 м.

На режим работы трубы оказывают особое влияние входные, а также выходные оголовки, которые предназначены для сопряжения трубы с откосами земляного полотна. Входные оголовки подразделяются на обтекаемые и необтекаемые.

Обтекаемые оголовки характеризуются или повышенным входным звеном, или конически сходящимся звеном (рис. 7.3.4). К необтекаемым оголовкам (рис. 7.3.5) относятся раструбные (а), портальные (б) и воротниковые (в).

Рис. 7.3.3. Минимальная высота насыпи: а – при безнапорном режиме, б – при полунапорном и напорном режимах.

 

 

Рис. 7.3.4. Обтекаемый оголовок с повышенным входным звеном.

 

Рис. 7.3.5. Необтекаемые оголовки: а – раструбные, б – портальные, в – воротниковые.

Обтекаемые оголовки хотя и обладают большей пропускной способностью, но уступают по трудоёмкости изготовления необтекаемым, среди которых несколько большая пропускная способность у раструбных оголовков (рис. 7.3.6).

 

Рис. 7.3.6. Необтекаемый раструбной оголовок.

 

Пример 7.3.1. Рассчитать круглую железобетонную трубу стандартного отверстия при коэффициенте шероховатости n = 0,014 для пропуска расхода Q = 9 м³/с, уклоне лога i = 0,02 в условиях безнапорного (при предельной степени наполнения 0,95), полунапорного и напорного режимов.

Решение.

Примем двухочковые трубы для расчётного расхода 4,5 м³/с.

а) Безнапорный режим с обтекаемым оголовком. Из табл. 7.3.1 [6, c. 173, табл. 11.9] выбираем d = 2,00 м. При этом напор H = 1,53 м, скорость V = 2,8 м/с. Условие выполнено.

Расходная характеристика 31,8 м³/с. По табл. 7.3.2 [14, с. 287, приложение 14, фрагмент для d = 2 м и n = 0,014] для d = 2 м, n = 0,014 и 31,8 м³/с находим, что 0,64 м. По той же таблице, полагая , устанавливаем, что 1,05 м. В связи с тем, что , поток находится в бурном состоянии и, следовательно, h _вых = 0,7 h ₀ = 0,7∙0,64 = 0,45 м и соответственно ω _вых = 0,53 м². Скорость протекания в расчётном сечении V _вых = Q/ω _вых = 4,5/0,53 = 8,5 м/с. Такая неразмывающая скорость обеспечивается для монолитного бетонного лотка [14, с. 274, приложение 5].

 

Таблица 7.3.1. Пропускная способность железобетонных труб.

Q, м^3/с	d = 1,25 м	d = 1,50 м	d = 2,00 м
Тип входного оголовка (I – необтекаемый, II – обтекаемый)
I	II	I	II	I	II
H	V	H	V	H	V	H	V	H	V	H	V
4,0	2,66	5,2	1,84	3,2	1,75	3,1	1,60	3,1	1,53	2,7	1,43	2,7
4,5	3,26	5,9	1,98	3,7	2,07	4,2	1,71	3,2	1,65	2,8	1,53	2,8

 

Таблица 7.3.2. Таблица для расчёта дорожных труб.

h, м	ω, м^2	, м^3/с	h вых = 0,7 h, м	ω вых, м^2	Q cr, м^3/с
0,60	0,79	28,0	0,42	0,48	1,6
0,70	0,98	37,5	0,49	0,60	2,1
1,00	1,57	71,2	0,70	0,98	4,2
1,06	1,69	78,5	0,74	1,07	4,6

 

б) Полунапорный режим с необтекаемым оголовком. Из табл. 7.3.1 выбираем d = 1,50 м. При этом напор H = 2,07 м, скорость V = 4,2 м/с. Критерий полунапорного режима H > 1,2 d выполняется: H = 2,07 > 1,2 d = 1,2∙1,5 = 1,8. Критерий напорного режима H > 1,4 d не выполняется: H = 2,07 < 1,4 d = 1,4∙1,5 = 2,1.

Расходная характеристика 31,8 м³/с. По таблице [14, с. 286, приложение 14] для d = 1,5 м, n = 0,014 и 31,8 м³/с находим, что 0,72 м. По той же таблице, полагая , устанавливаем, что 1,15 м. В связи с тем, что , поток находится в бурном состоянии и, следовательно, h _вых = 0,7 h ₀ = 0,7∙0,72 = 0,50 м и соответственно ω _вых = 0,81 м². Скорость протекания в расчётном сечении V _вых = Q/ω _вых = 4,5/0,81 = 5,6 м/с. Такая неразмывающая скорость обеспечивается для бутовой кладки из средних пород [14, с. 274, приложение 5].

в) Напорный режим с обтекаемым оголовком. Из табл. 7.3.1 выбираем d = 1,25 м. При этом напор H = 1,98 м, скорость V = 3,7 м/с. Критерий напорного режима H > 1,4 d выполняется: H = 1,98 > 1,4 d = 1,4∙1,25 = 1,75.

Площадь живого сечения на выходе из трубы ω _вых = π ∙1,25²/4 = 1,23 м², скорость потока V _вых = Q/ω _вых = 4,5/1,23 = 3,67 м/с. Такая неразмывающая скорость обеспечивается мощением из рваного камня размером 20 см на слое щебня не менее 10 см [14, с. 274, приложение 5].

ТЕМА 7.4. Акведуки и дюкеры

Акведуки устраиваются при пересечениях канала с дорогами (рис. 7.4.1), с понижениями местности (рис. 7.4.2), с реками (рис. 7.4.3). Они представляют собой мосты–водоводы. На рис. 7.4.4 показан древнеримский акведук в Сеговии (Испания).

Рис. 7.4.1. Акведук на пересечении канала с дорогой.

 

Рис. 7.4.2. Акведук на пересечении канала с понижением местности.

 

Отметка дна в акведуке у входа чаще всего принимается такая, как и в подводящем канале, или незначительно выше. Расчёт входного участка акведука производится по формуле подтопленного водослива с широким порогом

, (7.4.1)

где φ – коэффициент скорости (при плавном входе φ = 0,96…0,97, при неплавном входе φ = 0,90…0,95); b – ширина суженной части лотка; h _n – глубина в суженной части акведука, которую берут приблизительно равной глубине в отводном канале; H – глубина воды в лотке до сужения.

Рис. 7.4.3. Акведук на пересечении канала с рекой.

Рис. 7.4.4. Древнеримский акведук.

Дюкерами называют напорные трубопроводы, устраиваемые при пересечении канала или водопровода с дорогами (на рис. 7.4.5 показан дюкер канала Северский Донец – Донбасс над железной дорогой, на рис. 7.4.6 – под дорогой), под реками (рис. 7.4.7), каналами и т. п.

Дюкеры следует проектировать согласно СНиП 2.04.03-85, переходы трубопроводов через железные и автомобильные дороги – согласно СНиП 2.04.02-84.

Рис. 7.4.5 Дюкер канала Северский Донец – Донбасс над железной дорогой.

 

Рис. 7.4.6. Дюкер под дорогой.

 

Диаметры труб дюкеров следует принимать не менее 150 мм.

Дюкеры при пересечении водоёмов и водотоков необходимо принимать не менее чем в две рабочие линии из стальных труб с усиленной антикоррозионной изоляцией, защищённой от механических повреждений. Каждая линия дюкера должна проверяться на пропуск расчётного расхода с учётом допустимого подпора.

При расходах сточных вод, не обеспечивающих расчётных незаиливающих скоростей (СНиП 2.04.03-85, п. 2.34), одну из двух линий надлежит принимать резервной (нерабочей).

При пересечении оврагов и суходолов допускается предусматривать дюкеры в одну линию.

При проектировании дюкеров необходимо принимать глубину заложения подводной части трубопровода от проектных отметок или возможного размыва дна водотока до верха трубы – не менее 0,5 м, в пределах фарватера на судоходных водных объектах – не менее 1 м.

 

Рис. 7.4.7. Прокладка дюкера по дну реки.

 

Гидравлический расчёт дюкеров производят так же, как напорных трубопроводов, принимая расход, равный расходу канала. Скорость течения принимают равной 1,5…4 м/с во избежание заиливания. Разность отметок уровней воды у входной и выходной частей дюкера составляет расчётный напор Δ H. Для равнинного рельефа этот напор должен быть минимальным. Обычно гидравлический расчёт дюкера сводится к определению диаметра при допустимом напоре Δ H.

Задают диаметр дюкера в первом приближении. Находят коэффициент скорости:

. (7.4.2)

Коэффициенты потерь: на вход = 0,5, на поворот = 0,05 при угле поворота ≈ 20° и = 1,1 при угле поворота ≈ 90°, на выход = 1. Гидравлический коэффициент трения железобетонных труб λ = 0,019.

Скорость воды в дюкере

, (7.4.3)

диаметр

. (7.4.4)

Полученное значение диаметра берётся в качестве второго приближения и т. д.

Диаметр дюкера округляют до стандартного и тогда пересчитывают разность уровней на входе и выходе

. (7.4.5)