Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах

ВВЕДЕНИЕ

Для пропуска воды на пересечениях водотоков  с земляным полотном дорог устраиваются водопропускные сооружения, которые в зависимости       от топографических, гидрологических, геологических и других условий могут быть различных типов. К таким сооружениям относятся канавы, мосты, трубы, лотки, дюкеры, фильтрующие и переливные насыпи.

В зависимости от характера течения, определяемого расходами воды, уклонами местности, видами конструкций, а также  исходя из требований точности возможно применение различных методов расчета: теоретические и эмпирические.

Глубина потока, при которой сечение  минимально, называется критической глубиной. Нормальной глубиной называют глубину воды в русле, при которой движение равномерно. Уклон, соответствующий критической глубине называется критическим уклоном.

Цель курсовой работы – произвести гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах.

Задача данной курсовой работы заключается  в нахождении нормальной и критической  глубины и критического уклона канавы для определения состояния потока, а также научиться определять диаметр круглых дорожных труб при  укладке ее с продольным уклоном, равным критическому.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гидравлический расчет дорожной канавы, определение критической глубины и критического уклона в подводящем русле

1.1. Гидравлический расчет дорожной канавы

Дорожные  канавы устанавливаются для пропуска, перехвата и отвода поверхностных и выходящих на поверхность грунтовых вод.

Дорожная  канава должна иметь выход в пониженное место, и вода в ней не должна застаиваться. Размеры канавы должны соответствовать  количеству протекающей в ней  воды, а уклон и тип крепления  канавы обеспечивать отсутствие размыва и заиления.

Гидравлический  расчет дорожных канав производится для установившегося равномерного движения, т.е. при постоянных гидравлических элементах потока, с определенным постоянным уклоном на русла, который  назначают соответствующему рельефу  местности, степени размываемости грунта или типа укрепления русла, при этом уклон дорожных водоотводных канав должен быть не менее 0,003, на болотах, речных поймах и других затруднительных случаях 0, 002. Очертания поперечного сечения канавы может быть как с произвольным соотношением потока и ширины русла, так и с гидравлически наивыгоднейшим.

При расчете  дорожных канав заданными являются расход воды Q, м/с, определяемый методом гидрогеологии, продольный уклон русла i, тип грунтов местности, в зависимости от которого выбирается допускаемая не размывающая скорость течения воды Vдоп, коэффициент заложения откоса m, коэффициент шороховатости n, относительная ширина канала по низу β.

Расчетами определяется ширина русла по дну b, глубина наполнения h0, необходимый тип крепления, если скорость равномерного движения в неукрепленном земляном канале превосходит допускаемую.

Расчет  канала производится по формуле Шези

Q  = ωС√Ri;

 

 

где ω – площадь поперечного сечения трапецеидального канала, ;

        с – коэффициент Шези, определяемый по эмпирическим зависимостям, ;

       R – гидравлический радиус, м;

       i – уклон канавы.

Задача  по определению b и h0 решается графическим и аналитическим способом.

Дано:

1. Ширина канавы по дну, b = 1,05 м;
2. Уклон дна канавы  = 0,0031;
3. Расход воды = 1,3 м³/c;
4. Коэффициент заложения откоса канавы = 2,0;
5. Коэффициент шероховатости русла n = 0,3.

Найти:

1. Нормальную глубину ;
2. Критическую глубину ;
3. критического уклона ;
4. тип потока.

Расчет:

1. Находится заданный модуль расхода = 1,3 / √0,0031=23,21

№	h, м		b = β * h, м	м2	м	м	м	м3/с
1	1	0,472	0,472	2,472	4,944	0,5	2,963	5,179
2	1,2	0,472	0,566	3,559	5,932	0,6	3,056	8,424
3	1,4	0,472	0,660	4,844	6,920	0,7	3,137	12,713
4	1,6	0,472	0,755	6,328	7,910	0,8	3,209	18,163
5	1,8	0,472	0,849	8,009	9,899	0,81	3,216	23,18

2. Составляется таблица 1 по форме, в которой, задаваясь рядом значений h вычислим соответствующие значения b и Кз:

Таблица 1

где b - относительная ширина канала по дну, м; Q - расход воды в канале м³/с; w - площадь живого сечения, м²; С - коэффициент Шези; R - гидравлический радиус, м,  c - смоченный периметр, м; определяемый по формуле _.

 

3. Строим график зависимости К = f(h):

 

 

15

10

1,8

1,4

1,0

0,6

0,2

25

20

5

К,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Нормальную глубину можно найти графическим способом. По графику находим искомую глубину :

= 1,70 м

Также нормальную глубину можно  найти аналитическим способом с  помощью ПО «Maple», что позволяет более точно и проще определить, она будет равна  = 1,704378.

Определяем  площадь поперечного сечения  канавы по известной глубине :

ω = b h + n = 1, 05 1, 7 + 0,3 = 6, 43

5. Находим среднюю скорость равномерного движения воды:

V = = = 0, 2 м/с.

       1.2. Определение критической глубины и критического уклона в подводящем русле

Для анализа состояния потока в открытом русле необходимо определить критическую глубину и критический уклон . Эти величины являются критериями, определяющими энергетическое состояние потока в открытом русле. При глубине потока h(i ) поток находится в бурном состоянии, при глубине h(i ) – поток в спокойном состоянии.

Критическая глубина определяется из соотношения

,

Где , – соответственно площадь живого сечения и ширина потока по свободной поверхности при глубине потока, равной критической.

Для русел  произвольного поперечного сечения  критическая глубина может быть определена подбором. Задаваясь глубинами , вычисляют соответственные значения , которые сравниваются с постоянной для условий расчета величиной , при соблюдении равенства искомая глубина h = hk.

1. Для ускорения подбора рекомендуется построить график зависимости = f(h), для его построения составляется таблица:

Таблица 2

№ п/п	, м	В = , м	ω = bh + m,
1	1,0	3,05	3,05	28,4	9,3
2	1,2	3,45	4,14	70,9	20,5
3	1,4	3,85	5,39	156, 5	40,6
4	1,6	4,25	6,8	314,4	74,0
5	1,8	4,65	8,37	586,4	126,1

2. График зависимости = f(h):

h,м

1,8

1,4

1,0

0,6

0,2

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для русел прямоугольного поперечного сечения

= = 0, 413 м

где m – коэффициент заложения откоса канала

 

3. Критический уклон определим из неявного уравнения

,

где Q – расход воды, ;

       b – ширина канала по дну, м

      m – коэффициент заложения откоса

       h – глубина потока, м

       n – коэффициент шероховатости русла, отсюда

 = 1, 469

4. Так как h˃hкр , и   i˂iкр , можно утверждать что поток спокойный.
2. Гидравлический расчет безнапорных круглых труб

Безнапорные трубы проектируются так, чтобы  подпертый горизонт был ниже наивысшей  точки внутренней поверхности входного сечения трубы. Это требование можно  выразить формулой для полного напора:

,

где – степень наполнения трубы (она меньше единицы и обычно задается нормами от 0,80 – 0,90);

      А – высота (диаметр) трубы

Полный  напор согласно уравнению Бернулли

,

где – коэффициент Кориолиса;

      – средняя скорость по сечению, м/с.

Для трубы  круглого сечения при h = можно написать следующую зависимость: = , А = d.

Для круглых  труб площадь живого сечения при  глубине  может быть определена по формуле , тогда

А = ; при

 .

Следовательно при заданном коэффициенте скорости и степени заполнения можно найти половину центрального угла наполнения по формуле , затем расчетные коэффициенты по приведенным формулам. Аналогичным методом для круглых труб можно найти зависимости:

;

.

Значения  расчетных коэффициентов при  различных коэффициентах скорости и степени наполнения трубы даны в приложении 1.

Если  расчет ведут по сечению с критической  глубиной, то для безнапорных труб любой формы поперечного сечения  можно получить формулы, аналогичные  приведенным выше:

;

;

,

где , , – коэффициенты, учитывающие форму отверстий и степень наполнения трубы, а также сопротивления на входном участке трубы, а также сопротивления на входном участке трубы.

В целях  уменьшения Н рекомендуется укладывать безнапорные трубы с продольным уклоном, равным критическому. В этом случае сопротивления по длине трубы будут погашаться работой веса жидкости, а статический напор определяться только с учетом сопротивлений на входном участке трубы.

Критический уклон определяется по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий форму отверстий и степень наполнения трубы.

 

1. Гидравлический расчет дорожных труб

Определить  диаметр круглой безнапорной  дорожной железобетонной трубы при  укладке ее с продольным уклоном, равным критическому, по следующим данным:

1. расход воды Q = 2,013 ;
2. коэффициент скорости = 0,9;
3. hб = 0,613 м
4. = 1

 

Решение:

1. Задаемся степенью наполнения = 0,813

Определим диаметр трубы по формуле 

= 1,604 1,34 м,

 где  = + 1,67 = 1,604–получен методом интерполяции при заданной степени наполнения и коэффициенте скорости по приложению1.

Принимаем ближайший типовой диаметр  = 1,5 м.

2. Определим коэффициент при = 1,5 м:

= =

При = 0,9 и = 1,80 по приложению 1 «Расчетные коэффициенты для круглых безнапорных труб по расчетному критическому сечению» находим интерполяцией:

= 0  =

=

=

3. Определим критическую глубину потока в трубе

= 0,576 = 0,856 м – труба работает как свободный водослив.

4. Напор перед трубой

= = 0,813 1,5 = 2,3 м.

5. Площадь сечения по формуле

= 0, 923

6. Найдем критический уклон по формуле

= 2,652 9,81 / = 0,0076 при n = 0,016 для бетонной поверхности.

Так как  труба работает, как свободный  слив, при принятом типовом диаметре = 1,5 м, то труба будет уложена с продольным уклоном , равным критическому.