Определение отверстия водопропускной трубы

В разделе 2 «Пересечение малого водотока» курсового проекта рассматриваются вопросы проектирования круглых водопропускных труб. В настоящее время широко применяют железобетонные трубы с оголовками или без них отверстием 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 и 1,6м. в последнее время начали применять металлические (гофрированные) трубы с отверстием 1,8…3,8м.

Водопропускные трубы на автомобильных дорогах проектируют на безнапорный режим прохождения воды в трубе. Для определения отверстия трубы пользуются таблицами пропускной способности труб или рассчитывают отверстие трубы по формулам.

В таблице 2.4 приведены расчетный расход Q, критическая глубина h_кр, критический уклон J_кр, глубина воды перед трубой Н, скорость на выходе V_вых для одноочковых оголовочных круглых железобетонных труб отверстием 1,0; 1,2; 1,4 и 1,6м. В случае многоочковых оголовочных труб пропускная способность трубы увеличивается пропорционально количеству очков. Например, одноочковая оголовочная труба отверстием 1,20м при глубине воды перед трубой 1,50м пропускает расход 2,50м³/с. Двухочковая оголовочная труба отверстием 1,20м при той же глубине воды 1,50м пропускает 2х2,50м³/с. Остальные показатели (h_кр, J_кр, V_вых) одинаковы как для одноочковой трубы.

В случае безоголовочных труб пропускная способность их снижается. При пользовании таблицей 2.4 следует вводить понижающий коэффициент 0,83. Так, безоголовочная труба отверстием 1,20м при глубине воды 1,50м пропускает расход 0,83х2,50=2,08м³/с.

Таблица 2.4 пропускной способности составлена для незатопленного истечения воды из трубы, поэтому при пользовании таблицей 2.4 следует проверять критерий такого истечения:

 

(2.4.1)

 

где h_б, h_кр – бытовая и критическая глубина.

 

Величина отверстия трубы зависит от значения расчетного расхода при паводках от ливня летом и от таяния снега весною.

Если расход ливневых вод, определенный по формуле (2.2.1), окажется больше расхода от снеготаяния по (2.1.1), то величину сбросного расхода во время ливня устанавливают с учетом аккумуляции ливневых вод. В курсовом проекте в учебных целях для случая, когда расход от снеготаяния больше расхода от ливня условно меняют эти расходы местами, рассчитывают аккумуляцию стока ливневых вод.

Аккумуляция ливневых вод перед дорогой происходит вследствие уменьшения живого сечения водотока насыпью автомобильной дороги. Живое сечение водопропускной трубы меньше живого сечения нестесненного потока. Перед дорогой образуется пруд объемом:

 

, м³ (2.4.2)

 

где m₁ и m₂ – крутизна склонов водосбора;

J_с – уклон лога у сооружения, в долях единицы.

 

Сбросной расход, проходящий через водопропускное сооружение при уровне Н, определяют по формуле:

 

, м³/с (2.4.3)

 

где Q_л – максимальный расчетный расход без учета аккумуляции, м³/с;

W – общий объем стока за паводок:

 

, м³ (2.4.4)

 

где F – площадь водосбора, км ²;

h₁ – слой стока при паводке:

 

, мм (2.4.5)

 

Для определения отверстия трубы на пропуск паводка от ливня необходимо сначала построить график зависимости сбросного расхода от глубины пруда аккумуляции, пользуясь формулой (2.4.3).

Для этого задаются различными значениями глубины пруда перед трубой, вычисляют по (2.4.2) объем пруда W_пр и по (2.4.3) сбросной расход. Строят зависимость сбросного расхода от глубины пруда (кривая 1 на рис. 2.4.1).

При расчете по формуле (2.4.3) может быть получено отрицательное значение Q_с при объеме пруда, превышающем значение объема стока. Это значение Q_с не принимать для дальнейших расчетов.

Далее используют таблицу 2.4 пропускной способности круглых труб.

Таблица 2.4

d трубы, м	Q, м^3/с	hкр, м	hсж, м	Jкр	H, м	Vвых
i£ Iкр	i> Iкр
1,00	0,50	0,40	0,36	0,001	0,64	1,4	1,7
1,00	0,57	0,52	0,004	0,94	2,4	2,9
1,40	0,68	0,62	0,004	1,15	2,7	3,3
1,70	0,75	0,68	0,006	1,27	2,7	3,3
1,20	1,00	0,55	0,50	0,004	0,87	2,3	2,8
1,50	0,66	0,60	0,005	1,10	2,7	3,2
2,00	0,77	0,70	0,005	1,29	2,9	3,5
2,50	0,87	0,79	0,006	1,50	3,2	3,8
2,60	0,89	0,81	0,006	1,52	3,9	--
1,40	2,50	0,86	0,78	0,006	1,35	2,8	3,4
2,80	0,91	0,83	0,006	1,46	3,0	3,6
3,00	0,95	0,86	0,006	1,54	3,1	3,7
3,50	1,03	0,94	0,007	1,67	3,2	3,9
3,80	1,06	0,96	0,007	1,78	3,4	4,1
1,60	2,50	0,80	0,73	0,004	1,31	2,9	3,5
3,00	0,87	0,79	0,004	1,47	3,1	3,8
3,50	0,94	0,86	0,004	1,55	3,1	3,8
4,00	1,02	0,92	0,005	1,70	3,3	4,0
4,50	1,08	0,98	0,005	1,82	3,5	4,2
5,00	1,14	1,04	0,005	1,94	3,6	4,3
5,30	1,18	1,07	0,006	2,04	3,7	4,4
Примечания к таблице 2.4: 1) d – отверстие одноочковой трубы; 2) Q – расход; Н – глубина воды перед трубой; i – уклон трубы; 3) hкр, Jкр – критические глубина и уклон; 4) Vвых – скорость движения воды на выходе из трубы.

 

 

Назначают конкурентоспособные варианты труб. По данным таблицы 2.4 строят графики пропускной способности труб с различными отверстиями (кривые 2 и 3 на рис. 2.4)

Рисунок 2.4 Графическое определение расчетного расхода с учетом аккумуляции: 1 – зависимость Q_с=f(Н); 2, 3 – зависимости пропускной способности труб от подпора Н

 

На графике (рис. 2.4) наносят данные всех одно-, двух- и трехочковых труб отверстием d, максимальная пропускная способность которых находится выше кривой 1, а минимальная ниже кривой 1. На пересечении кривых 1 и 2 получают величину сбросного расхода Q_с для данного отверстия.

По СНиП 2.05.03.-84 «Мосты и трубы» допускается снижать сбросной расход за счет аккумуляции не более чем в три раза. Если вариант конкурентоспособной трубы не выполняет это условие, то его отбрасывают. Из всех вариантов труб принимают для дальнейшего рассмотрения вариант с меньшей стоимостью. Для него по графику 2.4 получают сбросной расход Q_с при паводке от ливня.

На малом водотоке весной имеет место паводок от таяния снега, для которого расчетный расход воды Q_сн. Если окажется, что сбросной расход от ливня Q_с меньше расчетного расхода от таяния снега Q_сн, то отверстие водопропускной трубы следует назначать исходя из пропуска талых вод с расчетным расходом Q_сн. Тогда сбросным расходом для водопропускной трубы будет Q _с=Q_сн

По сбросному расходу, пользуясь таблицей пропускной способности труб определяют критический уклон J_кр, критическую глубину h_кр, глубину воды перед трубой и скорость на выходе V_вых, приняв продольный уклон трубы i равным уклону лога у сооружения, т.е. i=J_c. Для сбросного расхода Q_с по графику Q_c=f(h) (рис.2.3.2) определяют бытовую глубину h_б и проверяют режимы истечения по условию 2.4.1. Необходимо, чтобы истечение из трубы было свободным (h_б£1,3h_кр) для которого составлена таблица пропускной способности труб.

Определение длины трубы

В курсовой работе проектируют круглые безоголовочные трубы. Предварительно проверяют достаточность заданной насыпи по двум условиям: по засыпке над трубой; по возвышению над уровнем воды перед трубой в расчетный паводок.

 

, (2.5.1)

 

где d, t – диаметр и толщина стенки круглой трубы (таблица 2.5.1);

h_qm – толщина монолитных слоев дорожной одежды, (по заданию);

i_п, i_о – поперечный уклон проезжей части, обочин;

с – ширина укрепленной или остановочной полосы;

а – ширина обочины;

b – ширина проезжей части двухполосной дороги или одного направления дороги I категории;

Н – глубина воды перед трубой, определяется по заданному расходу и заданному отверстию трубы по таблице 2.4.

 

Если окажется, что полученная по формуле (2.5.1) высота насыпи больше, чем по заданию, то для дальнейших расчетов принимают большую высоту.

Высота откоса насыпи:

 

, (2.5.2)

 

Длина трубы зависит от ширины дорожного полотна, высоты h_он и заложения откосов m насыпи.

По ТКП [ ] заложение откоса принимается 1:4 для дороги категории I-а, 1:3 для категорий I-б, I-в, II, III, IV при высоте насыпи до 3м на дорогах I и II категорий и до 2м на дорогах III, IV категорий. При большей высоте насыпи (до 6м) заложение откоса принимается равным m=1,5 при мелких и пылеватых песках и m=1,75 при супесях, суглинках. При высоте откоса насыпи более 6м заложение откоса в нижней части принимается 1:2 при суглинках и супесях и не изменяется (m=1,5) при мелких и пылеватых песках.

При применении звеньев труб длиной 2,5м необходимо обеспечить засыпку стыка крайних звеньев грунтом насыпи.

В связи с этим для труб с отверстием 1,6 и 1,4м заложение откоса на входе и выходе трубы должно быть 1:1,5.

Для труб с отверстием 1,0м заложение откоса на входе или на выходе может быть принято не круче 1:2,1, для труб с отверстием 1,2м не круче 1:1,8.

 

2.5.1 Определение длины трубы при заложении откоса насыпи m=1,5

Рисунок 2.5.1 Схема к определению длины трубы при заложении откоса m=1,5: а) теоретической; б) фактической: 1 – звено трубы; 2 – противофильтрационный экран

Теоретическая длина трубы (рис.2.5.1) с откосом насыпи 1:1,5 вычисляется по формуле:

 

, (2.5.3)

 

где – ширина дорожного полотна, зависит от категории дороги;

h_он – высота откоса насыпи, определятся по формуле (2.5.2);

 

Длина трубы определяется по формуле:

 

, (2.5.4)

 

где n – число звеньев трубы.

n
Lтр	10,12	12,62	15,12	17,62	20,12	22,02	25,12

 

Число звеньев трубы назначается из условия, чтобы фактическая длина трубы была равна или больше теоретической.

Если L_тр > L_T, то принимают длину трубы равной фактической L_тр, полученной по формуле (2.5.4), отодвигая противофильтрационный экран от подошвы насыпи на входе на величину (рисунок 2.5.1), равную

 

, (2.5.5)

 

Если полученное значение больше 1,5м, то целесообразно вход и выход трубы отодвинуть от подошвы насыпи на расстояние :

 

, (2.5.6)

 

Вычислим верховую и низовую часть трубы. При смещении трубы на входе длина трубы от оси дороги до входа определяется по формуле (2.5.7), а до выхода по формуле (2.5.8) с учетом продольного уклона трубы i и заложения откосов.

 

, (2.5.7)

, (2.5.8)

 

где i – продольный уклон трубы (по заданию);

m – заложение откоса насыпи у трубы.

 

При смещении трубы от подошвы на входе и на выходе верховая и низовая части трубы вычисляются по формулам:

 

, (2.5.9)

, (2.5.10)

Пример 2.5.1

Исходные данные: дорога III технической категории ( =12,0м). Высота насыпи 4,16м. Заложение откоса 1:1,5. Уклон трубы 0,010.

Требуется определить общую длину трубы и ее составляющие (верховую и низовую).

По формуле (2.5.2) вычислим высоту откоса насыпи:

 

.

 

Теоретическую длину трубы по формуле (2.5.3):

 

.

 

Из формулы (2.5.4) следует, что при 9 звеньях длина трубы L_тр = 22,02м, что недостаточно. При n=10 длина трубы L_тр = 25,12м, что больше теоретической на . Сместим начало трубы от подошвы насыпи на . Тогда длина верховой части трубы L₁ и низовой L₂:

 

,

 

.

2.5.2 Определение длины трубы при заложении откоса m>1,5

 

Заложение откосов низких насыпей принимают по безопасности движения m=3 или m=4, высоких насыпей по устойчивости откосов при глинистых грунтах m=1,75 при высоте насыпи до 6м и m=2 при высоких насыпях (нижняя часть).

Предельная крутизна укрепленного откоса m=1,5, поэтому для уменьшения длины трубы перемещаем ее начало и конец от подошвы насыпи к оси дороги (рис. 2.5.2), принимая откос насыпи у трубы с заложением 1:1,5.

Рисунок 2.5.2 Схема к определению длины трубы при m>1,5

 

Высота укрепления откоса насыпи у трубы на выходе:

 

, (2.5.11)

 

где d, t – внутренний диаметр трубы, толщина стенки, определяется по таблице 2.5.1.

 

Таблица 2.5.1

Диаметр звена, м	1,0	1,2	1,4	1,6	2,0
Толщина стенки, см
Толщина раструба, см

 

Если глубина воды перед трубой , то и на входе высота укрепления откоса определяется по формуле (2.5.10). Если же , то высота укрепленного откоса на входе определяется по формуле:

 

, (2.5.11)

 

При вычислении теоретической длины трубы примем . Назначим сопряжение откосов с заложением 1: m и 1:1,5 (точка А на рис.2.5.2) на высоте укрепления откоса с заложением 1:1,5. Тогда теоретическая длина трубы при высоте откоса насыпи до 6м определяется по формуле:

 

, (2.5.12)

 

где В_дп – ширина дорожного полотна, зависит от категории дорог;

h_он – по формуле (2.5.2);

h_y,1 – высота укрепления откоса ().

 

Если высота откоса насыпи у трубы h_он >6м, , то теоретическая длина трубы:

 

, (2.5.13)

 

где m, m₁ – заложение откоса верхней части насыпи и нижней (m₁=1,75, m₂=2,0).

 

Если высота откоса насыпи и , то теоретическая длина трубы:

 

, (2.5.14)

 

Фактическую длину трубы вычислим по формуле:

 

, (2.5.15)

 

где n – число звеньев, определяется подбором.

 

При подборе числа звеньев возможны два варианта, отличающиеся по длине трубы на 2,5м (на одно звено).

 

Вариант 1. Длина трубы меньше теоретической . Смещаем точку пересечения откосов вверх (рис. 2.5.3) на величину .

 

, (2.5.16)

 

Проверяют достаточность высоты откоса для размещения точки сопряжения А:

 

, (2.5.17)

 

Длина верховой части трубы (до оси дороги) и низовой вычисляется по формулам:

 

; , (2.5.18)

 

Если условие (2.5.17) не выполнено, то рассматривают вариант 2, когда длина трубы больше теоретической, определенной по формуле (2.5.12) .

При варианте 2 и отверстии трубы 1,6 или 1,4м отодвигают противофильтрационный экран к подошве насыпи на величину . Длина части трубы на входе и на выходе считается от оси дороги, определяется по формулам (2.5.9) и (2.5.10).

В случае отверстия 1,0 и 1,2м уполаживают откос от точки А (рис. 2.5.2) до начала (конца) трубы.

 

Пример 2.5.2

 

Исходные данные: дорога II технической категории. Высота откоса насыпи 3,0м. заложение откоса 1:3. отверстие трубы 1,2м, глубина воды перед трубой 1,2м.

Требуется определить длину трубы.

Высота укрепления откоса насыпи на входе:

 

; .

 

Принимаем .

 

На выходе , .

Примем заложение откоса на высоту укрепления 1:1,5, а на остальной части 1:3.

Теоретическая длина трубы:

 

.

 

Если принять 10 звеньев, то длина трубы 25,12м. что меньше теоретической на величину . Примем длину трубы 25,12м, придвинув откос с заложением 1:1,5 на величину .

Рисунок 2.5.3 Схема к примеру 2.5.2

 

Откос с заложением 1:1,5 к оси на величину (рис. 2.5.2). Точка сопряжения откосов с заложением 1:3 и 1:1,5 поднимется на величину :

.

 

Она находится ниже бровки обочины, так как выполняется условие:

, т.е. 3,0 > 1,96м