Расчеты стока и отверстия водопропускного дорожного сооружения

Расчеты стока и отверстия водопропускного дорожного сооружения

1. Гидрологические расчёты

 

1.1 Установление вероятности превышения для заданной категории дороги

В соответствии с рекомендацией таблицы 11.3 [1] для автомобильных дорог общей сети второй и третей категории для постоянных труб вероятность превышения P=2%.

1.2 Определение максимального стока воды весеннего половодья обеспеченностью P=2%

Расчёт выполнен по редукционной формуле 33 [2]:

,

где K₀ - параметр, характеризующий дружность весеннего половодья.₀=0,008 - для лесной зоны 2-ой категории рельефа - таблица 5 [3]._p - расчётный слой суммарного весеннего стока в мм ежегодной вероятностью превышения P%, определяемый в зависимости от коэффициента вариации C_v и отношения , а также среднемноголетнего слоя стока h₀.

_p - модульный коэффициент для обеспеченности 2%. Определяется из таблиц 3-х параметрического гамма распределения.

При соотношении  для C_v = 0,32 K_p = 1,841.

Так как по заданию h₀ = 100 мм, то h_p = =184,1 мм.

μ - коэффициент, учитывающий неравенство статических параметров слоя стока и максимальных расходов воды.

μ=0,98 - для лесной зоны - приложение 7 [2].

δ - коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов и проточных озёр.

- коэффициент, принимаемый в зависимости от величины среднемноголетнего слоя весеннего стока.

Для h0 = 100 C=0,2 - приложение 12 [2]._оз - это средневзвешенная озёрность в процентах (по заданию)._оз = 1,1%, тогда

.

δ₁ - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды занесённых бассейнов.

α₁=1; n₂=0,22 - для лесной зоны с равномерным распределением леса по водосбору и с различным механическим составом почвогрунтов - приложение 13 [2]._л=23%,

δ₂ - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заболоченных бассейнах.

β=0,80 - для низменных болот и заболоченных лесов - приложение 14 [2]._δ=1,7%

.

₁ - показатель степени редукции, n₁ = 0,17 - для лесной зоны и зоны тундры - приложение 8 [2].=37 км².

.

1.3 Определение расходов дождевого паводка вероятностью превышения P=2%

В соответствии с рекомендациями приложения 17 [2] для лесной зоны с площадью водосбора менее 50 км², в расчётах используется формула предельной интенсивности стока 48 [2]:

, где

сток дорога водопропускной труба

q_1% - максимальный модульный сток ежегодной вероятностью превышающей P=1%, выраженной в долях от произведения , при δ=1, определяемый по приложению 21 [2] в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла исследуемой реки - Ф_P, продолжительности склонового добегания и района принимаемого по приложению 22 [2].

H_1% - максимальный суточный слой осадков вероятностью превышения P=1%.

H_1%=100 мм (по заданию).

φ - сборный коэффициент стока, определяемый по формуле 54 [2]:

, где

C₂=1,2 [2] - эмпирический коэффициент, принимаемый для лесной и тундровой зоны

i_в=55 ‰ (по заданию) - средний уклон водосбора.

φ₀ - сборный коэффициент стока для водосбора площадью F=10 км² и средним уклоном i_в=50 ‰.

φ₀=0,28 - для суглинистых грунтов - приложение 24 [2].

n₅=0,65 - приложение 24 [2],

n₆=0,07 - для лесной зоны и лесотундры - 4.20 [2].

F=37 км².

.

, где

χ_p - гидравлический параметр русла,

χ_p=11 - для чистых русел - приложение 18 [2].

χ=0,33 - приложение 18 [2].

L - длина реки от наиболее удалённой точки водосбора.

L=8,4 км,

i_P=0,8 ‰.

.

τ_ск=f(Ф_ск),

, где

ℓ - средняя длина безрусловых склонов,

ℓ=0,5 км (по заданию).

n_ск - коэффициент, характеризующий шероховатость склона водосбора,

n_ск=0,25 - для поверхности без кочек, а поверхность в населённых пунктах с застройкой менее 20%, для обычного травяного покрова - приложение 26 [2].

;

По приложению 25 [2] τ_ск=75 при Ф_ск=6,25,

Для 2 района типовых кривых редукции осадков q_1%=0,0167 при τ_ск=75; Ф_p=145,3.

λ_P% - переходный коэффициент от максимума мгновенных расходов ежегодной вероятностью превышения P=1% к максимальным расходам воды другой вероятностью превышения, определённой из приложения 20 [2].

Для 2 района λ_P%=0,85 при F=35 км².

.

 

1.4 Установление расчётного расхода

Так как расход половодья Q_P=2%=11,08 м³/с < расхода паводка Q_P=11,9 м³/с, то расчётным расходом будет Q_P=11,9 м³/с для определения параметров трубы.

 

 

2. Назначение параметров водопропускной дорожной трубы

 

2.1 Сечение трубы

Для заданной высоты насыпи H_нас=4,6 м наибольшее значение высоты трубы в свету составит:

, где

h_констр - толщина стенки трубы для труб прямоугольного сечения h_констр=0,3 м.

h_зас=0,5 м - высота засыпки над трубой.

.

Учитывая, что шаг типовых размеров труб по высоте равен 0,5 м примем в первом приближении .

Ширина отверстия трубы b_тр назначается в соответствии с пропускной способностью трубы при критической глубине для необтекаемых оголовков.

Параметры трубы:

b×h_тр.=2 м ×2,5 м;

H = 2,7 м;

V = 3,9 м/с при i = i_кр.

2.2 Длина трубы

 

L_тр.= b_нас.+2m_нас.H_нас.- 2 m_нас(h_тр.+h_кон.)=12+2·1,5·4,6-2·1,5 (2,5+0,3)=17,4

В гидравлических расчётах используются следующие параметры:

L_тр.= 17,4 м;

h_тр= 2,5 м;

b_тр= 2 м.

3. Гидравлические расчёты

 

3.1 Определение нормальной глубины в отводящем канале

Расчёт выполнен методом подбора в табличной форме при следующих условиях:

Q = 11,9 м³/с;

b₀₂ = 4,7 м;

m₀₂ = 1,75;

i₀₂ = 0,0008;

n₀₂ =0,024;

y = 1.5, если R<1 м;

y = 1.3, если R >1 м.

h02, м	ω=(b+m02h) h, м	χ=b+2h√(1+m022), м	R = ω/χ, м	C=  Ry, м0,5/сQ= ωС√ Ri02, м3/с
1	6,45	8,02	0,8	39,58	6,45
1,5	10,9	9,67	1,14	42,9	14,2
1,3	9,06	9,01	1,01	41,75	10,75
1,375	9,77	9,26	1,055	42,12	11,95
1,374	9,76	9,26	1,054	42,11	11,94
1,372	9,74	9,25	1,053	42,1	11,901

Берем h₀₂=1.372

 

3.2 Определение критической глубины в трубе h_к

 

Для русла прямоугольного сечения h_к определим по формуле:

, где α =1,0.

3.3 Определение условий затопления и полного напора перед трубой H₀

В первом приближении условия затопления оцениваются из неравенства:₀₂=1,372<1,25h_к=1,92 труба не затоплена.

Полный напор перед трубой для затопленного водослива определяется по формуле:

В первом приближении считаем H₀ без учёта σ_П в:

, b_к= b_тр.

Вход в трубу коридорного типа:

m=0,35;

φ=0,95;

ε=0,91;

Геометрический напор перед трубой ,

V₀₁=1 м/с.

=2,4.

3.4 Определение глубины в сжатом сечении h_c и сопряженной с ней h_c″

Для прямоугольного сечения трубы используем метод Агроскина, в соответствии с которым вычисляется вспомогательная функция:

,

.

Из таблицы 12.1 [1] с помощью интерполирования получим:

τ_с=0,54 → h_сж==0,54 · 2,45=1,32 м;

τ″_с =0,71 → h_сж″=

3.5 Определение критического уклона трубы

Где:

Q=11,9 м³/с,

3.6 Определение нормальной глубины в трубе

Расчёт выполнен методом подбора в табличной форме при следующих данных:

Q=11,9 м³/с,

b_тр=2 м,

i_тр= i_кр =0.006,

n=0.014;

y= если R<1 м, то y=0.18;

y= если R>1 м, то y=0.15;

h, м	ω=b·h, м2	χ= b+2h, м	R= ω/ χ, м	С=(1/n)· Ry, м0,5/с	Q= ωС√Riтр., м3/с
1	2	4	0,5	63,1	6,9
1,7	3,4	5,4	0,63	65,73	13,7
1,5	3	5	0,6	65,2	11,7
1,525	3,05	5,05	0,6	65,15	11,92

Нормальная глубина в трубе h=1,525 м

3.7 Установление характера протекания в трубе и параметров потока

Так как i_кp=i_тp=0,006, то после сжатого сечения формируется горизонтальная кривая подпора типа С₃.

Возможность равномерного движения устанавливается из соотношения глубин h_к и h_п на участке ℓ₂.

ℓ₂ =L_тр - (ℓ_вх + ℓ_вых),

ℓ_вх =

ℓ_вых=

ℓ₂ =17,4 - (3,99+1,49)=11,92 м;

ℓ_{вх. уч.} ≈2,5 H₀≈2,5· 2,45≈6,125 м;

ℓ_п =

Т.к. ℓ_п >ℓ₂, то С₃ заканчивается глубиной h_вых.

Глубина потока на выходе из трубы определяется:

h_вых =l₂ i_кр=11.92· 0.006=0,0715

h_вых= h_c+ h_вых=0,0715 +1,32=1,38

Т.к. ℓ_п >ℓ₂, то начиная с критической глубины участок равномерного движения отсутствует.

Скорость потока на выходе:

V_вых=

3.8 Определение расстояния до сечения полного растекания

Определим расстояния до сечения полного растекания по методике Лилицкого:

ℓ_p =

где

В=5,5 м (по условию);

Определение глубины в сечении полного растекания

Определим с помощью удельного расхода.

Глубину h_p установим методом подбора из уравнения Черномского неравномерного движения:

hР, м	ЭР= hР+qР/(2gh2P), м	if p=(n022q2р.)/h10/3р.	i f =0,5 (ifвых.+ if p)	lР0
0,2	1.35	0.1	0.054	17.86
0.15	2.196	0.26	0.1335	0.78
0.16	1.959	0.225	0.116	2,96
0.165	1.87	0.2	0.1035	4.19
0.161	1.94	0.22	0.1135	3.19

Берем h_p=0,16 м;

Определение критической глубины в отводящем русле:

h_k02=β_k· b;

β_k=f(q_мод);

q_мод=

β_k= 0,12;

h_k02= 0,12 · 4,7= 0,564 м;

Определение глубины, сопряжённой с глубиной растекания:

h″_p =

h″_p =

h₀₂=1,372 м;

Из соотношения h₀₂< h″_p следует, что имеет место отогнанный гидравлический прыжок.

Список использованной литературы

1)  «Справочник по гидравлике» под ред. В.А. Большакова., второе издание, Киев, 1984. Высшая школа.

2)      «СНиП 2.01.14-83. Определение расчётных гидрологических характеристик», Москва, 1985.