Дорожные водопроводящие сооружения. Гидравлический расчет

 

Сибирская автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

 

 

 

Кафедра: Проектирование дорог

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

«Дорожные водопроводящие сооружения.

Гидравлический расчет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Работу выполнил: студент

                         группы   АДб-11-67Z4

     Пьянов Д.А

Проверил: доцент Троян Т.П.

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2012г.

 

Содержание

Введение........................................................................................................................2

  1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ........................................................................................2

1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ…………………………………………………………………3

2.1.Подводящий  канал.….............................................................................................3

2.1.1.Определение  нормальной глубины…..…....................…..................................3

2.1.2.Определение критической глубины...................................................................4

2.1.3.Определение критического уклона.….................................………..................6

2.1.4.Расчёт канала гидравлически наивыгоднейшего профиля(поперечного     сечения)..........................................................................................................................6

2.1.5.Определение скорости течения в канале….......................................................9

2.2.Быстроток…............................................................................................................9

2.2.1.Определение критической глубины..….…......................................................10

2.2.2.Определение критического уклона…………………......................................10

2.2.3.Определение нормальной глубины ……………………………….................10

2.2.4.Расчёт кривой свободной поверхности на быстротоке  ................................11

2.2.5.Построение кривой свободной поверхности на водоскате быстротока…. .12

2.3.Отводящий канал..................................................................................................14

2.3.1.Определение  гидравлических характеристик потока....................................14

2.3.2.Расчёт  гидравлического прыжка......................................................................15

3.УКРЕПЛЕНИЕ  РУСЕЛ........................................................................................15

4.ЭКОЛОГИЯ  ДОРОЖНЫХ ВОДОПРОВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ .......16

Библиографический список …..………………………………….........................18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Из года в год расширяется строительство  автомобильных дорог в различных  регионах нашей страны, отличающихся климатическими, рельефными и гидрологическими особенностями. Современная автомобильная  дорога представляет собой сложное  инженерное сооружение, предназначенное  для интенсивного движения транспортных средств с большими скоростями при  обеспечении безопасности движения. Для этого при проектировании автомобильных дорог большое  внимание уделяют вопросам обеспечения  устойчивости земляного полотна,  необходимым условием которого является организация водоотводных и водопропускных сооружений.

Основными нормативными документами при проектировании водоотводных сооружений являются:

1) строительные  нормы и правила. Автомобильные  дороги (СНиП 2.05.02-85);

2) строительные  нормы и правила. Мосты и  трубы (СНиП 2.05.03-84);

3) строительные  нормы и правила. Определение  гидрологических  характеристик  (СНиП 2.01.14-83);

4) инструкция  по расчету стоков с малых  бассейнов (ВСН 63-76).

Курсовая  работа предусматривает расчет целого комплекса взаимосвязанных сооружений: канала (при равномерном движении потока), быстротока, гасителя энергии, многоступенчатого перепада. При  расчете перечисленных сооружений необходимо решить много побочных вопросов, а именно: исследование дифференциального  уравнения неравномерного движения жидкости, построение кривой свободной  поверхности, необходимость гасителя энергии и т.д.

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

1. Расход — Q₀=2,9 м³/с;
2. Ширина канала понизу — b=1,0 м;
3. Уклон подводящего канала — =0,002;
4. Уклон быстротока — =0,12;
5. Уклон отводящего канала — =0,0036;
6. Длина быстротока — l=45 м;
7. Высота перепада — P=2,5 м;
8. Коэффициент заложения откоса канала — m=1,5, для трапецеидального сечения; m= 0, для прямоугольного сечения;
9. Коэффициент шероховатости стенок канала — n=0,0250,для трапецеидального сечения; n=0,014, для прямоугольного сечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ  ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

 

2.1. Подводящий канал

 

Устройство  подводящего канала необходимо для  принятия вод, стекающих по склонам  к логу, и подведения к трубе, мосту  или быстротоку. Искусственные подходные  русла должны обеспечивать пропуск  всего расхода без их переполнения.

Расчёт  подводящего канала сводится к определению  нормальной и критической глубины, критического уклона, анализа состояния  потока, определению средней скорости и обоснованию укрепления русла. Кроме этого необходимо привести расчёт гидравлически наивыгоднейшего  профиля канала.

 

2.1.1. Определение нормальной глубины

 

Нормальная  глубина h₀ — это такая глубина, которая при заданном расходе установилась бы в русле, если в этом русле движение было бы равномерным.

Эта глубина  никак не связана с типом искусственного сооружения, а определяется естественным (бытовым) состоянием водотока, поэтому  её также называют бытовой глубиной h_б.

Основная  расчётная формула — формула  Шези:

                                                           (2.1)

где ω — площадь живого сечения, м²; С — коэффициент Шези, м^0,5/с; R — гидравлический радиус, м; i₀ — уклон канала.

Для трапецеидального сечения

                                                          (2.2)

где h — глубина канала, м

Для определения  коэффициента Шези С может применяться формула Н.Н.Павловского:

                                                                                      (2.3)

где y=f(n,R).

Приближённо можно по Н.Н.Павловскому считать:

      при R<1,0 м  y=1,5√n=0,24;                                                  (2.4)

      при R>1,0 м  y=1,3√n=0,21;                                                  (2.5)

Гидравлический  радиус в общем случае определяется по формуле:

                                                             (2.6)

где χ — смоченный периметр, (м) и для трапецеидального русла может быть определён:

                                                    (2.7)

Важным  показателем при расчёте является расходная характеристика (модуль расхода) К₀, м³/с:

                                                           (2.8)

Графоаналитический метод определения нормальной глубины.

 

                                                         (2.9)

м³/с

Таблица 2.1

Расчётные формулы	Ед.изм.	Назначаемые и определяемые величины
		h1	h2	h3	h4	h5
h	м	0,70	0,80	0,90	1,0	1,10
	м2	1,44	1,76	2,12	2,50	2,91
	м	3,52	3,88	4,24	4,61	4,97
	м	0,41	0,45	0,50	0,54	0,59
	м0,5/с	32,30	33,02	33,87	34,54	35,17
	м3/с	29,78	38,98	50,77	63,45	78,61

       

               (по рис. 1)         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1

 

2.1.2. Определение  критической глубины

 

Критической глубиной h_к называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения.

Если  задано поперечное сечение русла, а  также расход Q₀, то критическая глубина определяется из уравнения:

                                                          (2.10)

где Э — удельная энергия сечения, м, определяемая по формуле

                                                    (2.11)

Для дорожно-мостового  и аэродромного строительства при  движении жидкости в каналах коэффициент  Кариолиса принимают α=1,1.

Дифференцируя выражение (2.11) по h из условия при глубине, равной критической, получаем уравнение критического состояния потока

                                                      (2.12)

где g— ускорение свободного падения, м/с²; ω_k - площадь живого сечения при критической глубине, м²; B_k- ширина канала поверху при критической глубине, м.

                                                    (2.13)

Метод подбора для определения критической глубины для трапецеидального русла.

Таблица 2.2

h
h1	0,40	0,64	2,20	0,12
h2	0,50	0,88	2,50	0,27
h3	0,60	1,14	2,80	0,53
h4	0,70	1,44	3,10	0,96
h5	0,80	1,76	3,40	1,60

(по рис. 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2

 

2.1.3. Определение  критического уклона

 

Критическим уклоном называется такой уклон, при котором заданный расход Q₀ проходит по каналу в условиях равномерного движения с глубиной, равной h_к , т.е. при соблюдении равенства

Определение критического уклона может быть произведено:

а) непосредственно  по формуле

                                                   (2.14)

где при  предварительно найденной глубине h_к  для данного русла и при заданном расходе  Q₀ определяются следующие величины: ω_k ,χ_k ,C_k ,R_k ;

б) по уравнению

                                                (2.15)

 

Вывод: в подводящем канале нормальная глубина больше критической глубины > , заданный уклон сооружения меньше критического уклона < ; состояние потока спокойное.

 

2.1.4. Расчёт канала  гидравлически наивыгоднейшего  профиля (поперечного сечения)

 

Гидравлически наивыгоднейшим профилем (ГНП) называется такой, у которого при заданной площади  поперечного сечения ω, уклоне i₀ , шероховатости и коэффициенте заложения откоса пропускная способность Q₀  оказывается наибольшей.

Малые каналы дорожного и аэродромного водоотвода целесообразно проектировать с  гидравлически наивыгоднейшим сечением.

Для трапецеидального канала гидравлически наивыгоднейшего  сечения относительная ширина β_гн=b/h определяется по формуле

                                             (2.16)

 

 

 

При заданной площади живого сечения ω и уклона i₀ расход Q₀ , средняя скорость течения V, гидравлический радиус R будут наибольшими, а смоченный периметр χ— наименьшим. Гидравлический радиус трапецеидального канала при этом равен R_гн=h/2, т.е. равен половине глубине канала.

Графоаналитический способ для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения, т.е.  h_гн и  b_гн .

Таблица 2.3

h
h1	0,9	0,55	1,71	0,45	33,02	1,69
h2	1,0	0,61	2,11	0,50	34,87	2,33
h3	1,1	0,67	2,55	0,55	34,65	2,94

Q₀ = 2,9 м³/с

h_гн =1,09 м (по рис. 3)

                                                 (2.17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3

 

 

2.1.5. Определение  скорости течения в канале

 

Средняя скорость по живому сечению в канале, м/с, υ определяется из формулы

                                                        (2.18)

где ω — площадь живого сечения, в котором необходимо определить скорость.

Как правило, скорость необходимо знать, чтобы выяснить, является она размывающей или  нет.

 

Вывод: дополнительного укрепления не требуется, так как при m=1,5 – грунт песчано-гравелистый, допускаемая скорость которого , при n=0,025 – габионовая кладка, допускаемая скорость которого

 

2.2. Быстроток

 

При значительных расходах воды, больших уклонах и  наличии в воде твёрдых включений  при благоприятных геологических  условиях, обеспечивающих устойчивое положение круто наклоненного лотка, наиболее целесообразны быстротоки.

Быстротоком называют искусственное сооружение (русло) с уклоном больше критического ( i₀> i_k).

Гидравлический  расчёт быстротока сводится к расчёту  входной части, лотка быстротока (водоската) и выходного участка.

Уклон для  входного участка принимают равным уклону дна подводящего канала. Глубина  в конце входной части (на изломе) h_изл принимается равной критической h_к.

При высоких  скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрации) приводит к увеличению глубин, что необходимо учитывать в расчётах. Коэффициент шероховатости стенок и дна канала для аэрированного  потока n_а приближённо определяется по формуле

                                                    (2.19)

где а — коэффициент аэрации, зависит от значения уклона быстротока i₀ :

 

Таблица 2.4

а	1,33	1,33-2,00	2,00-3,33
i0	0,1-0,2	0,2-0,4	0,4-0,6

 

2.2.1. Определение критической  глубины

 

Для прямоугольного сечения (m=0) h_к можно определить по формуле

                                                  (2.20)

где q — удельный расход , м²/с,

                                                         (2.21)

где b — ширина лотка быстротока, принятая равной ширине понизу в подводящем канале.

 

2.2.2. Определение  критического уклона

 

 

2.2.3. Определение  нормальной глубины

 

м³/с

          Таблица  2.5

Расчётные формулы	Ед.изм.	Назначаемые и определяемые величины
		h1	h2	h3
h	м	0,2	0,40	0,60
	м2	0,2	0,40	0,60
	м	1,40	1,80	2,20
	м	0,14	0,22	0,27
	м0,5/с	34,83	36,92	37,73
	м3/с	2,61	7,19	12,46

(по рис. 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4

 

Вывод: на быстротоке нормальная глубина меньше критической глубины < , заданный уклон сооружения больше критического уклона > , следовательно, состояние потока бурное.

 

2.2.4. Расчёт кривой свободной  поверхности на быстротоке

 

Метод В.И. Чарномского расчёта кривой свободной поверхности на водоскате быстротока.

1) h_n - последняя глубина на быстротоке принимается на 5% больше нормальной глубины, т.е. Промежуточные глубины рекомендуется задавать с интервалом 0,1 м;

2) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

3) т.к. Лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса m=0;

4)

5) где R_n  и R_n+1 — гидравлические радиусы, соответствующие соседним глубинам;

6) где n_a — коэффициент шероховатости с учётом аэрации потока;

7) где С_n  и С_n+1 — коэффициенты Шези, соответствующие соседним глубинам;

8) где Q₀ — заданный расход воды, поступающий из подводящего канала;

9) де υ_n  и υ_n+1 — соседние скорости в соседних сечениях;

10)

11) где Э — удельная энергия соответствующих сечений;

12) где Э_n  и Э_n+1 — удельные энергии соседних сечений, причём в последующем сечении для данного типа кривой спада удельная энергия сечения больше, чем в предыдущем;

13)

14) l₁=0, т.к. Расчёт кривой свободной поверхности начинается с точки излома дна; последующие числовые значения длин l₂,l₃,... определяются путём наращивания, а именно: l₂=l₁+Δl₁,  l₃=l₂+Δl₂ и т.д.

Таблица 2.6

1		2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	0,98	0,98	2,96	0,33		42,17		2,96			1,47			0
					0,325		42,04		3,09	0,017		0,01	0,097
	0,90	0,90	2,80	0,32		41,91		3,22			1,48			0,097
					0,315		41,78		3,43	0,021		0,06	0,61
	0,80	0,80	2,60	0,31		41,64		3,63			1,54			0,707
					0,30		41,37		3,89	0,030		0,12	1,33
	0,70	0,70	2,40	0,29		41,09		4,14			1,66			2,037
					0,28		40,80		4,49	0,043		0,25	3,25
	0,60	0,60	2,20	0,27		40,51		4,83			1,91			5,29
					0,255		40,04		5,50	0,074		0,69	15,00
	0,47	0,47	1,94	0,24		39,56		6,17			2,60			20,29

 

2.2.5. Построение кривой свободной  поверхности на водоскате быстротока

 

Кривая  свободной поверхности строится в виде графика с вертикальной осью глубин и горизонтальной осью длин.

На графике  обязательно указываются линии  критических К-К и нормальных N-N глубин. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

2.3. Отводящий канал

Для защиты от размыва низового откоса земляного  полотна дороги и выходной части  водопропускного сооружения часто  устраивают водоотводные искусственные  русла, по своей конструкции, мало отличающиеся от подходных русел. Вода, выходящая  из отверстия сооружения, часто обладает ещё большей энергией, т.е. Повышенной против его естественного состояния  разрушительной силой. Если не предусмотреть  специальных мер, отводные русла  на выходе из сооружения сильно размываются, что иногда приводит к авариям  сооружений.

Мерами  против размывов водоотводных русел, т.е. Способами гашения энергии водного  потока, являются: непрерывное рассеивание  энергии потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии  потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.

Известно  много различных способов гашения  энергии потока. Наиболее распространенные из них:

1. усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов);
2. соударение свободных струй в атмосфере;
3. рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;
4. сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке – напорные гасители;
5. отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);
6. силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путем установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и т.п.

 

 

 

2.3.1. Определение гидравлических  характеристик потока

 

Определение нормальной глубины 

м³/с

(по рис. 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6

Определение критической глубины 

=

Определение критического уклона

=

 

Вывод: в отводящем канале нормальная глубина больше критической глубины > , заданный уклон сооружения меньше критического уклона < ; состояние потока спокойное.

При смене  уклонов  на возникает гидравлический прыжок.

 

2.3.2. Расчёт гидравлического прыжка

 

Явление скачкообразного перехода бурного  потока с глубиной меньше критической  в спокойное состояние с  глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком.

Расчёт  гидравлического прыжка сводится к  определению его характеристик: - первой сопряжённой глубины, - второй сопряжённой глубины, - длины гидравлического прыжка.

1. Определить сжатую глубину методом последовательного приближения:

                                                (2.23)

где q — удельный расход;

                                                           (2.24)

φ — коэффициент скорости, φ=0,9; - энергия, с которой поток приходит в отводящий канал, , т.е. Энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:

                                                 (2.25)

где - глубина на конце быстротока, определённая по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных; - скорость на конце быстротока, определяемая по формуле:

                                                    (2.26)

а) в первом приближении не учитывается  в знаменателе. Тогда

                                                (2.27)

м²/с

м/с

б) во втором приближении учитывается  в знаменателе:

в) в третьем  приближении учитывается  в знаменателе:

2. Рекомендуется за первую сопряжённую глубину принять глубину равную сжатой:

                                                       (2.28)

3. Определить вторую сопряжённую глубину по формуле:

                                        (2.29)

4. Вывод: =< - гидравлический прыжок затоплен (подпёртый).

1,0<1,01м.

Установление  гасителя энергии не требуется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7

 

3. УКРЕПЛЕНИЕ РУСЕЛ

 

При изменении уклонов, на входном  и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев  превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется  устройство укрепления русла. Размеры  и тип укрепления назначают на основании гидравлических расчетов исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне. Исходными  данными для определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон  русла.