Гидравлика (стр. 10 )

уравнение кривой депрессии

где: q – односторонний приток к галерее, приходящийся на единицу ее длины

;

b0 – половина ширины галереи;

h – глубина воды в галерее;

L – предел действия галереи, приближенно равный 250…300 м;

x и Z – координаты какой-либо точки на кривой депрессии.

Пример.

Определить дебит совершенного колодца, отрытого в мелком песке до водоупора. Диаметр колодца d0 = 1,2 м, глубина воды в колодце h = 0,8 м. Толщина водоносного пласта H = 6,3 м.

Решение

Коэффициент фильтрации для мелкого песка K @ 10-5 м/с @1 м/сутки. Радиус действия колодца для песчаного грунта (см. выше) R = 250…500 м, принимаем R =400 м.

м3 сутки.

Различают следующие виды дренажей: систематический, головной, береговой, кольцевой, пластовый. Регулирующей частью дренажной системы являются трубчатые дрены. Дрена называется совершенной, если ее основание находится на водоупоре, и несовершенной, если ее основание не доходит до водоупора.

Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной совершенной дрены на горизонтальном водоупоре при одностороннем притоке воды в дрену определяется по формуле

м3/сутки на 1 п. м.,

где: K – коэффициент фильтрации, м/сутки;

H – высота непониженного уровня грунтовых вод (УГВ) или мощность водоносного слоя, м;

h0 – глубина воды в дрене;

L – ширина полосы действия (радиус действия) дрены, м.

Ординаты Z кривой депрессии на удалении x от оси дрены

м,

или

м.

Ширину полосы действия (радиус влияния) дрены можно определить по таблице П2.9 справочных данных или по формуле

м,

где: S0 =H – h0 – требуемое понижение УГВ у дрены, м.

Удельный расход фильтрационных вод горизонтальной несовершенной дрены круглого сечения при одностороннем притоке воды в дрену вычисляется по формуле

м3/сутки на 1 п. м.,

а ординаты кривой депрессии

,

где: H1 – глубина погружения центра дрены в водонасыщен-ный грунт, м;

r – радиус дрены, м;

A – коэффициент, вычисляемый по формуле

.

Удельный расход совершенной дрены в системе кольцевого дренажа

м3/с на 1 п. м.

Общий расход воды в дренаже составит

м3сутки.

Депрессионную кривую по внешним границам кольцевого дренажа строят по упрощенному уравнению

м.

Депрессионная кривая внутри осушаемого участка устанавливается примерно на уровне воды в дренах.

Удельный расход несовершенной дрены в системе кольцевого дренажа вычисляется по формуле

м3/сутки на 1 п. м.

Здесь, как и выше, H1 – глубина погружения дрены от УГВ, м.

Расчет головного дренажа сводится к расчету одиночной дрены по приведенным выше зависимостям, за исключением удельного расхода несовершенной дрены, определяемого по формуле

м3/сутки на 1 п. м.

Время на осушение защищаемой территории может быть вычислено из формулы для радиуса влияния дрены

откуда для совершенной дрены

суток.

Для несовершенной дрены

суток,

где – средняя мощность осушаемой зоны м.

Пример 1.

Для защиты от подтопления подвала сооружения предусматри-вается устройство кольцевого дренажа из асбоцементных труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены.

Отметка поверхности земли (в створе дрены) = 200,0 м

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены) = 199,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены) = 190,0 м

Отметка дна начала дрены = 196,5 м

Размеры сооружения в плане:

длина l = 40 м

ширина b = 16 м

Грунт участка местности песок среднезернистый

Коэффициент фильтрации K = 12 м/сутки

Диаметр дрены d = 0,2м

Решение

Т. к. отметка дна начала дрены = 196,5 м больше отметки водоупора = 190,0 м – дрена несовершенна.

Радиус дрены

Принимаем глубину воды в дрене

Глубина погружения центра дрены в водонасыщенный грунт

H1 =199,5 – 196,5 – 0,10 = 2,90 м.

По таблице П2.9 приложения 2 радиус влияния дрены для среднезернистого песка R = 100…200 м. Принимаем R = 150 м.

Удельный расход фильтрационных вод в несовершенной горизонтальной дрене

м3 /сутки на 1 п. м.

Суммарный фильтрационный расход в конце дрены (половина общего расхода дренажа)

м3/сутки.

Гидравлический расчет дрены

Из формулы Шези

найдем минимальный уклон дна дрены, обеспечивающий пропуск расхода Q.

Для дрены, до половины заполненной водой

- площадь живого сечения м2;

- гидравлический радиус м.

По таблице П2.5 приложения 2 для асбоцементных труб коэффициент шероховатости n = 0,0092.

По формуле Маннинга коэффициент Шези

68

Требуемый уклон дна дрены

Принимаем минимальный допустимый уклон для дрен I0 = 0,0005. При этом дальний конец дрены должен быть глубже заложения дрены в начале (в точке А) на

Пример 2.

Для перехвата грунтовых вод с целью защиты от подтопления заглубленных сооружений, возводимых на заданном участке местности, предусматривается устройство головного дренажа из полиэтиленовых труб.

Определить удельный и суммарный фильтрационные расходы, произвести гидравлический расчет дрены и определить время, потребное для осушения местности в пределах полосы действия дрены.

Отметка поверхности земли (в створе дрены) = 25,0 м

Отметка уровня грунтовых вод (в створе дрены) = 24,5 м

Отметка водоупора (в створе дрены) = 22,0 м

Отметка дна начала дрены = 22,0 м

Длина головной дрены l = 80 м

Диаметр дрены d определить

Грунты участка местности песок мелкозернистый

Коэффициент фильтрации K= 4,0 м/сутки

Коэффициент водоотдачи m = 0,15

Решение

Отметки водоупора и дна начала дрены совпадают (22,0 м) – дрена совершенна.

Мощность водоносного слоя

H = 24,5 – 22,0 = 2,5 м.

Предварительно принимаем диаметр дрены d = 100 мм, глубину наполнения дрены . Тогда требуемое понижение УГВ

Ширина полосы действия (радиус влияния) дрены

Удельный расход фильтрационных вод

м3/сутки на 1 п. м.

70

Суммарный расход фильтрационных вод

м3/сутки.

Принимаем минимальный допустимый уклон дрены I0 = 0,0005.

При наполнении дрены до половины:

- площадь живого сечения дрены

м2;

- гидравлический радиус м.

По таблице П2.5 приложения 2 для полиэтиленовых труб коэффициент шероховатости n = 0,0086 с/м1/3.

Коэффициент Шези

м1/2/с.

Пропускная способность дрены (по формуле Шези)

Окончательно принимаем диаметр дрены d = 100 мм.

12. ДОРОЖНЫЕ ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Дорожные водопропускные сооружения и их классификация

Рельеф земной поверхности характерен неровностя­ми, чередованием повышенных и пониженных участков. Как показы­вает статистика, в среднем на каждый километр трассы дорог приходится примерно одно понижение. Чтобы обеспечить сток воды от выпадающих осадков в местах пересечения дорогами пониженных участков рельефа, должны быть предусмотрены водопропускные сооружения. Для пропуска стока периодических и постоянных водотоков с ма­лых водосборных бассейнов устраивают малые водопропускные соору­жения.

Малые водопропускные сооружения встре­чаются на дорогах наиболее часто. Их доля доходит до% от общего числа водопропускных сооружений, а в це­лом по стране их количество достигает величины порядка миллиона.

По конструкции малые водопропускные соору­жения (рис. 12.1) отличаются разнообразием: это малые мос­ты (а); безнапорные дорожные водопропускные трубы (б); работающие как водослив с широким порогом; напорные (в) и полунапорные (г) трубы, работающие как насадки и ко­роткие трубы или отверстия в тонкой стенке. Это могут быть и дюкеры под насыпью дороги.

Рис. 12.1

Основной целью гидравлических расчетов малых водо­пропускных сооружений на дорогах является определение их отверстия; напора перед ним, т. е. отметки подпертого уровня; глубины и скорости потока на выходе при опреде­лении вида крепления в отводящем русле для предотвраще­ния подмыва конструкций.

Отверстием водопропускного сооружения назы­вается его наибольший горизонтальный размер в свету в плоскости, перпендикулярной направлению движения по­тока. Так, для круглых труб отверстие равно их внутрен­нему диаметру d; для многоочковых - сумме внутренних диаметров всех труб; для труб прямоугольного сечения отверстие равно расстоянию между внутренними гранями боковых стенок, для однопролетного моста - ширине по­тока по свободной поверхности В в расчетном сечении подмостового русла.

Обычно отверстия малых водопропускных сооружений меньше ширины водотока, т. е. они стесняют поток воды. Из-за стеснения потока уровень воды в верхнем бьефе повышает­ся. Этот уровень называют подпертым. Глубина по­тока за сооружением, как правило, равна нормальной hо, определяемой по формуле Шези с учетом расчетного расхода, формы сечения, коэффициента шероховатости и продоль­ного уклона дна лога. Эта глубина никак не связана с типом искусственного сооружения, а определяется бытовым (естественным) состоянием водотока, поэтому ее и называют бытовой глубиной hб.

Как уже было отмечено выше, подавляющее большин­ство малых водопропускных сооружений на дорогах со­ставляют безнапорные трубы и малые мосты, т. е. сооружения, работающие по принципу водослива с широким порогом. Движение воды через такие водопропускные со­оружения имеет целый ряд особенностей, которые должны учитываться надлежащим образом при разработке метода их гидравлического расчета. В частности, соотношение напора и длины безнапорной дорожной трубы часто достигает зна­ченийЭто значительно превышает соответствующее соотношение даже для широкого водослива, где оно равно 1Следовательно, при движении потока в дорожной трубе заметное влияние могут оказывать силы трения.

Конструкции водопропускных труб.

Конструкции водопропускных труб отличаются большим разнообразием.

Трубы состоят из оголовков, звеньев и фундаментов.

По форме отверстия различают трубы прямоугольные, круглые, овоидальные, прямоугольные с полуциркульным сводом и др.

Входная часть дорожной трубы называется входным оголов­ком. На рис. 11.2 изображены применяющиеся оголовки: портальный (а), коридорный (б), раструбный с обратными стенками (в), раструбный с коническим звеном трубы (г), а также безоголовочный вход (д) и овоидальная труба с во­ротниковым оголовком. Наибольшее распространение получили портальные и раструбные оголовки.

В прямоугольных трубах отверстием 1,0...2,5м применяют раструбные оголовки с повышенным входным звеном. Его высота на 0,5 м больше высоты нормального звена. Применяют трубы и без оголовков.

Малые водопропускные сооружения изготавливают из металла, бетона, железобетона, камня и дерева. Применяют мосты – балочные, арочные, эстакадные и др. Существуют типовые проекты труб и мостов. На железных дорогах в основном применяют сборные трубы: круглые железобетонные диаметром 1,0...2,0м; прямоугольные бетонные отверстием 1,5...6,0м; круглые металлические гофрированные диаметром 1,3...3м.

Конструкции труб и мостов изучают в курсе «Проектирование мостов и труб». Размещение и выбор типа малых водопропускных сооружений на железных дорогах, проверку высоты насыпи и обеспечение условий нормальной эксплуатации сооружений и другие прикладные вопросы проектирования водопропускных сооружений изучают в курсе «Изыскания и проектирование железных дорог».

Рис. 12.2

Гидравлическая классификация дорожных водопропускных труб и форм движения воды в них.

В зависимости от уклона дна трубы (ее лотковой части) различают трубы: с нулевым уклоном (J0 = 0); с прямым малым уклоном (J0 < Jк); с уклоном равным критическому (J0 = Jк); с прямым большим уклоном (J0 > Jк).

Критический уклон вычисляют по формулам

В зависимости от наличия свободной поверхности в дорожных трубах различают движение воды в трубах: безнапорное (рис. 11.1, б); полунапорное (рис. 11.1, г); напорное (рис. 16.1, в).

При безнапорном движении (безнапорные трубы) поток на всей длине трубы имеет свободную поверхность, входное сечение трубы не затоплено. Это бывает при Н/hТ ≤ 1,2, где Н – статический напор; hТ – высота трубы (или диаметр трубы d).

При полунапорном движении входное сечение трубы заполнено водой (поток соприкасается с периметром отверстия по всей его длине) и на всей длине трубы поток имеет свободную поверхность. Это соблюдается, если 1,2 ≥ Н/hТ ≥ 1,4 (полунапорная труба). Такая форма движения воды аналогична истечению жидкости из-под затвора.

При напорном движении жидкости в трубе ее сечение заполнено водой на всем протяжении трубы или на большей ее части, что наблюдается при Н/hТ > 1,4. Приведенные критерии гидравлических условий работы труб приближенные. Они зависят от формы оголовков труб.

В подмостовых руслах поток всегда безнапорный. В зависимости от соотношения между местными гидравлическими сопротивлениями и сопротивлениями по длине потока в трубе различают короткие и длинные трубы. Короткой называют трубу, длина которой не оказывает существенного влияния на ее пропускную способность, определяющуюся главным образом условиями входа воды в трубу – местными сопротивлениями. Длинной называют трубу, в которой гидравлические сопротивления обусловлены главным образом потерями энергии по ее длине, но местные гидравлические сопротивления также учтены. В зависимости от влияния уровня воды в нижнем бьефе (для безнапорных труб) различают неподтопленные трубы, когда уровень нижнего бьефа не влияет на ее пропускную способность, и подтопленные, когда уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы и напор перед ней. Эти же формулировки относятся и к потокам в подмостовых руслах.

Формы свободной поверхности в трубах.

Формы свободной поверхности в трубах отличаются большим разнообразием.

Предположим, что безнапорная труба имеет малый уклон (см. рис. 11.1, б). В этом случае свободную поверхность потока в трубе или под мостом можно разделить на три участка. Первый – входной. С гидравлической точки зрения он начинается в сечении перед трубой или мостом, в котором наблюдается статический напор Н, и заканчивается в сечении со сжатой глубиной hс. Однако по практическим соображениям за начальное сечение входного участка принимают сечение, проходящее через нижнюю точку трубы, а чаще через верхнюю точку трубы. Последнее сечение предпочтительно, так как, зная в нем площадь живого сечения, легко подсчитать скорость потока при входе в трубу. Обозначим длину входного участка lвх и глубину hвх. На среднем участке (втором) длиной l0 имеем кривую подпора при возрастании глубины от hc до h. В случае неподтопленной трубы или моста со стороны нижнего бьефа глубина h несколько меньше критической глубины hк, но принимается равной ей. На третьем участке, называемом выходным или сливным, глубина изменяется от hк до hнб. По практическим соображениям выходное сечение трубы совмещают с верхней кромкой трубы. Следовательно, l = lвх + l0 + lвых.