Гидравлический расчет малых мостов и труб. Гидравлический расчет малых мостов и труб ix общие данные

• Название: Гидравлический расчет малых мостов и труб ix общие данные
• Дата: 20.10.2020
• Размер: 1.12 Mb.
• Имя файла: Гидравлический расчет малых мостов и труб.docx
• Тип: Документы; #144193

Гидравлический расчет малых мостов и труб
§ IX.1. ОБЩИЕ ДАННЫЕ
Малые водопропускные сооружения устраивают в местах пересечения автомобильной дороги с ручьями, оврагами или балками, по которым стекает вода от дождей и таяния снега. Количество водопропускных сооружений зависит от климатических условий и рельефа, а стоимость их составляет 8-15% от общей стоимости автомобильной дороги с усовершенствованным покрытием. Поэтому правильный выбор типа и рациональное проектирование водопропускных сооружений, позволяющие индустриализировать их устройство, имеют большое значение для снижения стоимости строительства автомобильной дороги.

Количество искусственных сооружений на 1 км дороги зависит главным образом от рельефа местности (табл. IX. 1).



К основным видам водопропускных сооружений относят малые мосты и трубы. Меньшее распространение имеют другие типы сооружений, пропускающих воду переливом через земляное полотно, — лотки. Лотки, укрепляемые мощением, допускается применять на дорогах низших категорий (IV-V) при пересечении периодически действующих водотоков, с глубиной перелива не более 0,15-0,20 м.

Применявшиеся некоторое время фильтрующие водопропускные сооружения в виде наброски крупных камней, через которую просачивается вода, не оправдали себя в эксплуатации и могут использоваться только как временные и на второстепенных дорогах, в местах, где стекающая вода не содержит наносов, заиливающих промежутки между камнями.

Водопропускные сооружения должны обеспечивать пропуск воды без вреда для дороги и дорожных сооружений. Наилучшее удовлетворение этих требований при обязательном соблюдении принципа экономичности сооружений достигается методами вариантного проектирования.

Большую часть водопропускных сооружений (почти 95%), строящихся на автомобильных и железных дорогах, составляют трубы. Они не меняют условий движения автомобилей, поскольку их можно располагать при любых сочетаниях плана и профиля дороги. Трубы не стесняют проезжую часть и обочины, а также не требуют изменения типа дорожного покрытия.

Кроме того, трубы строятся полностью сборными, из железобетонных и бетонных элементов небольшой массы, что позволяет пользоваться кранами малой грузоподъемности.

Устройство мостов предъявляет более высокие требования к продольному профилю дорог. Расположение мостов на вертикальных и горизонтальных кривых или на больших продольных уклонах вызывает усложнение их конструкции. На мостах иногда приходится применять иной тип покрытия, чем на подходах; значительная высота насыпи, например, при пересечении глубоких оврагов, вынуждает строить даже при малых расходах воды мосты с большой длиной поверху, что приводит к значительному удорожанию сооружения; вызывает затруднения и косое пересечение водотоков мостами.

Все указанные обстоятельства позволяют рассматривать трубы как основной тип малых водопропускных сооружений на постоянных и периодически действующих водотоках. Мосты применяют только в тех случаях, когда трубы не могут обеспечить пропуск всей воды, притекающей к дороге.

В современном дорожном строительстве наибольшее распространение находят железобетонные мосты и трубы стандартных типов из сборных элементов, заранее изготовляемых на централизованных базах. Основным типом железобетонных труб являются так называемые унифицированные трубы (круглые и прямоугольные), применимые как для автомобильных, так и для железных дорог. В горной местности на дорогах низших категорий иногда устраивают трубы на месте работ из каменной кладки насухо.

Для увеличения пропускной способности без повышения высоты насыпи устраивают многоочковые трубы из уложенных рядом нескольких труб. Наблюдения показали, что в этих случаях расход равномерно распределяется между трубами. Однако трубы с числом очков более четырех неэкономичны. В этих случаях следует переходить к мостам.

При пропуске расчетных паводков трубы должны работать, как правило, в безнапорном режиме, когда на всем протяжении сооружения поток соприкасается по свободной поверхности с воздухом. Как исключение, на автомобильных, а иногда и на городских дорогах допускается полунапорный или напорный режим (с затопленным входом в сооружение) при условии принятия конструктивных мер, обеспечивающих устойчивость труб и земляного полотна против фильтрации воды.

При безнапорном режиме протекания воды возвышение высшей точки внутренней поверхности трубы над уровнем воды должно обеспечивать пропуск плывущих случайных предметов и составлять: в круглых и сводчатых трубах высотой до 3 м — не менее 1/4 высоты трубы в свету, а высотой более 3 м — не менее 0,75 м; в прямоугольных трубах высотой до 3 м — не менее 1/6 высоты трубы в свету, а высотой более 3 м — не менее 0,5 м.

На автомобильных и городских дорогах используют трубы отверстием не менее 0,75 м (в кюветах на съездах с дороги — не менее 0,5 м). В целях удобства эксплуатации рекомендуется применять при длине менее 20 м трубы отверстием не менее 1,0 м, а при большей длине — отверстием не менее 1,25 м. Трубы нельзя укладывать на постоянных водотоках, где возможны наледи и ледоход. Не допускаются также трубы и. при пересечении; горных водотоков с карчеходом.

§ IX.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ И РАСХОДОВ ЛИВНЕВЫХ ВОД НА МАЛЫХ ВОДОСБОРАХ
Количество воды, притекающей к сооружению с малого водосбора, поддается теоретическим расчетам, изучаемым в курсе гидрологии, в ходе которых неизбежны различные допущения (условности) и погрешности. Наиболее трудно учесть ход дождя во времени, ход снеготаяния и впитывания воды в почву. Поэтому расходы и объемы воды с малых бассейнов вычисляют по нормам стока, т. е. с одинаковой схематизацией для всех водосборов и со стандартной оценкой метеорологических факторов стока в определенных географических районах. Проверкой норм стока является сопоставление расчетных величин стока с наблюдаемыми. Как правило, таких наблюдавшихся величин стока оказывается немного, при этом наибольшие затруднения вызывает оценка вероятности их превышения еще большим стокам.

Обычно считают, что вероятность превышения объемов и расходов стока та же, что и основных стокообразующих факторов, т. е. ливней и снеготаяния вызывающих сток. На этом основании по результатам длительных наблюдений за осадками и снеготаянием на метеостанциях, дающих возможность оценить вероятность больших и выдающихся ливней и интенсивностей снеготаяния, а также по величинам расходов воды, установленным по следам прохода паводков на местности, можно составить региональные (порайонные) нормы стока, которые являются обычно более надежными. Примером таких региональных норм являются нормы ливневого стока, разработанные Дальгипротрансом для Приморского края и Союздорпроектом для Якутии, Непала и некоторых других районов.

При отсутствии данных для составления региональных норм пользуются всесоюзными нормами стока. Общепризнанными для всех видов инженерного проектирования в СССР в настоящее время являются нормы стока талых вод. Расчеты ливневого стока в проектных организациях разных ведомств выполняют по разным нормам.

Ливневые воды притекают к сооружениям по почти треугольному гидрографу. Максимальный расход, определяемый формулой (IX.1), наблюдается очень краткое время. Поэтому расчетный расход в сооружении оказывается меньшим, чем максимальный расход притока к нему, в связи с аккумуляцией части объема стока в пруду перед сооружением. Учет аккумуляции подробно рассмотрен, в § IX. 5.

Гидрологические расчеты в СССР производят в соответствии с «Указаниями по определению расчетных гидрологических характеристик» СН 435-72. Однако приведенный в этом документе расчет ливневого стока не полон (отсутствует определение объема стока, необходимого для учета аккумуляции); в связи с этим для проектирования малых водопропускных сооружений при транспортном строительстве этот расчет не обязателен (см. СН 435-72, п. 4.28).

Принцип расчета стока в малых водосборов, так называемый метод предельных интенсивностей, использованный в СН 435-72, может быть реализован и в других модификациях, наиболее подходящих для расчета транспортных сооружений.

Одним из таких способов является расчет, разработанный МАДИ (А. Шахидовым) и Союздорпроектом.

В основе расчета лежит общая формула ливневого стока



По данным Союздорпроекта, для площадей до 100 км² коэффициент. редукции может быть подсчитан по формуле



при этом для F ≤ 0,1 км² φ> = 1.

Связь интенсивности ливня а с его продолжительностью t (мин) обычно принимается в виде:




Вводя в расчет интенсивность ливня часовой продолжительности (эти ливни хорошо изучены) получаем

Принцип предельных интенсивностей заключается в том, что за расчетную, самую опасную продолжительность ливня, принимают время добегания воды от наиболее удаленной точки бассейна до дороги (рис. IX.1):


Безразмерная величина, стоящая в скобках, представляет собой коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к расчетной. Значения интенсивности часового ливня приведены в табл. IX.3. Номер ливневого района устанавливается по карте-схеме, (рис. IX.2). Таблица и карта разработаны Союздорпроектом.




Скорость добегания может быть определена по данным Д. Л. Соколовского, который показал, что главным фактором, определяющим скорость, является уклон бассейна I. При обработке данных Д. Л. Соколовского получено, что для обычных задернованных поверхностей бассейна скорость равна (рис. IX. 3):



Для гладких поверхностей (дорожные одежды, асфальтированные дворовые территории в городах и пр.).

составлена для задернованных поверхностей бассейнов. При продолжительности ливня 5 мин и менее коэффициент K_t достигает предельного значения K_t = 5,24. Этому соответствует полный сток, т.е. длительный приток воды с постоянным расходом Q_ПС.

Для бассейнов с гладкими поверхностями табличные значения K_t удваиваются, но они не могут быть более 5,24, что отвечает полному стоку.

Таким образом, расчетная формула расхода ливневого стока после подстановки уравнения (IX.6) в (IX. 1) получает вид





Малые водопропускные сооружения рассчитывают обычно на пропуск лишь, части расчетного ливневого расхода. На пропуск полного ливневого расхода их следует рассчитывать только в случае полного стока, т. е. при продолжительности расчетного ливня 5 мин и менее (см. табл. IX.4), когда переходный коэффициент К_t достигает максимального значения 5,24.


§ IX.3. РАСЧЕТ СТОКА ТАЛЫХ ВОД С МАЛЫХ ВОДОСБОРОВ
На основании «Указаний по определению расчетных гидрологических характеристик» (СН 435-72), распространяющихся на проектирование всех видов сооружений (в том числе малых мостов и труб), расчетный максимальный расход талых вод для любых бассейнов определяется по редукционной формуле Государственного гидрологического института (преобразованная формула Д. Л. Соколовского):




Расчет слоя стока половодья заданной вероятности превышения h_р производится по трем параметрам: среднему многолетнему слою стока h, коэффициенту вариации C_vh и коэффициенту асимметрии C_sh слоя стока. Высоту среднего слоя стока для бассейнов с площадью более 100 км² на европейской территории и более 1000 км² на азиатской территории СССР определяют непосредственно по карте (рис. IX. 4). Для меньших бассейнов к значениям, снятым с карты, вводят поправочные коэффициенты 1,1 при холмистом рельефе и глинистых почвах и 0,9 — при плоском рельефе и песчаных почвах. При особо больших потерях стока (сосновые леса на песках, значительное распространение туфогенных пород и др.) вводят коэффициент 0,5. В засушливых районах и в полупустынной зоне Западной Сибири и Казахстана для площадей водосборов менее 3000 км² к значениям высоты слоя, снятым с карты, вводят поправочные коэффициенты по табл. IX. 9.

При наличии более 2% озерности бассейнов средние слои стока, снятые с карты, уменьшаются введением коэффициентов δ₁ по табл. IX .7.

Коэффициент вариации C_vh принимают по карте изолиний (рис. IX.5), причем для бассейнов площадью менее 200 км² его значения умножают на следующие коэффициенты:





Коэффициент асимметрии C_sh для равнинных водосборов принимают равным 2C_vh. Для северо-запада и северо-востока СССР, где в формировании максимального стока участвуют дождевые осадки, C_sh = 3 С_vh. Для горных водосборов C_sh = (3-4) C_vh.

Ординаты кривых вероятности превышения для определения расчетного значения слоя стока половодья h_р находят по таблицам или по рис. IX. 6, где даны отношения К_р = h_p:h при гамма-параметрическом законе распределения.

Расчетный слой стока определяют по формуле



Коэффициенты δ для малых водосборов, особенно при учете озерности в величине слоя стока, можно принимать равными 1, так как размещение озер на малых бассейнах – редкое явление, а лес на незначительных площадях может быть полностью сведен после строительства автомобильной дороги.

§ IX.4. РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ ТРУБ

В зависимости от глубины подтопления и типа входного оголовка в трубах могут устанавливаться следующие режимы протекания:

безнапорный режим – если подпор меньше высоты трубы на входе либо превышает ее не более чем на 20%; на всем протяжении трубы водный поток имеет свободную поверхность (рис. IX. 7, а);

полунапорный режим – возникающий при оголовках обычных типов (портальных, раструбных) в тех случаях, когда подпор превышает высоту трубы на входе более чем на 20%; на входе труба работает полным сечением, а на всем остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. IX. 7, б);

напорный режим – устанавливающийся при специальных входных оголовках обтекаемой формы и при подтоплении верха трубы на входе более чем на 20% (рис. IX.7, в); на большей части длины труба работает полным сечением и лишь у выхода поток может отрываться от потолка трубы.

При значительном подтоплении входа в трубу напорный режим может возникать периодически и при оголовках обычных типов. Однако из-за прорывов воздуха через образующуюся у входного отверстия воронку, протекание воды в этом случае часто переходит на полунапорный режим.

В связи с невысокой точностью определения притока воды к сооружению можно при расчете отверстий сооружений ограничиться упрощенными расчетами.

Приближенные расчетные формулы пропускной способности труб, соответствуют трем режимам протекания воды в трубах:

а) безнапорный режим (аналогия — водослив с широким порогом)






Для того чтобы установился полунапорный или напорный режим, уклон трубы i должен находиться в определенном соотношении с уклоном трения i_w, при котором расход Q_c проходит, целиком заполняя поперечное сечение трубы, но без превышения атмосферного давления в верхней точке.

Полунапорный режим и атмосферное давление в сжатом сечении у входа устанавливается при затопленном входе в трубу и уклоне трубы i > i_w, где .

Расходная характеристика целиком заполненной трубы подсчитывается в зависимости от ее очертания; для круглых труб К₀ = 24 d^8/3.

Эта проверка на незаполняемость поперечного сечения обязательна и для безнапорных труб (с незатопленным входом в сооружение), длина которых обычно велика по сравнению с их высотой.


Напорный режим и работа трубы полным сечением практически на всем протяжении при отсутствии подтопления выхода гарантируется при i ≤ i_w. При этом, если i < i_w, то глубина воды перед напорной трубой равна, как это следует из формулы (IX. 23):



При i = i_w наступает переход от напорного режима к полунапорному. При i > i_w напорный режим срывается. Глубина воды перед трубой в этом последнем случае определяется формулой (IX. 21).

На основе расчетных формул пропускной способности труб при разных режимах протекания воды составляют расчетные таблицы или графики пропускной способности типовых труб (трубы строят только типовые). Такие таблицы приводятся в типовых проектах, в том числе для так называемых унифицированных труб (рис. IX.9), нашедших широкое применение в строительстве.

§ IX.5. УЧЕТ АККУМУЛЯЦИИ ЛИВНЕВЫХ ВОД ПЕРЕД МАЛЫМИ ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ

При назначении отверстий труб необходимо учитывать аккумуляцию ливневых вод в пруду перед сооружением. При этом заранее нельзя назвать степень снижения расчетного расхода, так как глубина воды перед сооружением (глубина пруда) еще неизвестна. Это осложняет расчет и заставляет выполнять его либо путем последовательных приближений, либо графо-аналитическим приемом, изложенным ниже.

Малые искусственные сооружения почти всегда сильно стесняют поток и изменяют его бытовой режим. В результате временного накопления перед сооружением части паводка гидрограф притока трансформируется в более растянутый во времени гидрограф сброса, что приводит к снижению расчетного сбросного расхода ливневых .вод в сооружении Q_c по сравнению с наибольшим секундным притоком с бассейна Q_л (рис. IX. 10, а). Объем накопившейся воды W_пp при общем объеме стока W зависит от гидрографа притока, отверстия сооружения и рельефа участка местности, в пределах которого образуется временный водоем.

Расход воды в отверстии сооружения определяется высотой подпора воды над входным лотком. При узких, ярко выраженных логах с большим уклоном этот подпор даже в течение ливневого паводка обычно достигает размеров, обеспечивающих практическое равенство расхода воды в отверстии наибольшему секундному притоку; объем воды, накопившейся перед сооружением, по сравнению с объемом всего паводка оказывается незначительным и практически не влияет на величину расхода в сооружении. При определении отверстия сооружения в таких случаях в качестве расчетного расхода может приниматься наибольший расход водотока заданной вероятности превышения. Также без учета, аккумуляции следует производить расчет малых сооружений на пропуск паводков от таяния снега, всегда растянутых во времени (рис. IX.10, б).


При развалистых или слабо выраженных логах с малыми уклонами образование подпора перед сооружением сопряжено с подтоплением значительных по площади участков и накоплением перед полотном дороги больших объемов ливневых вод. Последние составляют уже существенную часть общего объема паводка. Подпор воды перед сооружением возрастает медленно и обычно не успевает достичь величины, обеспечивающей равенство сброса наибольшему секундному притоку паводка. Расход воды в отверстии сооружения оказывается часто во много раз меньшим расчетного расхода бассейна. В таких случаях аккумуляция воды должна учитываться при определении величины отверстия сооружения для пропуска ливневого стока.

Из сказанного следует, что без расчета аккумуляции нельзя установить, какой вид стока более опасен для сооружения. Так, несмотря на то, что наибольший приток талых вод меньше, чем ливневых, т. е. Q_T < Q_л, опасным может оказаться сток талых вод, если Q_T > Q_с < Q_л. В связи с этим после определения максимальных расходов различного происхождения следует произвести расчет отверстия сооружения на пропуск талых вод при Q_с = Q_Ти ливневых вод с учетом аккумуляции, т. е. при Q_с < Q_лтак, как указано ниже. Большее из двух полученных отверстий сооружения должно быть принято для дальнейшего проектирования.

Часть площади гидрографа притока, расположенная выше кривой сбросных расходов (см. рис. IX. 10, а), представляет собой объем накопления воды перед сооружением. Отношение между объемом накопления и суммарным притоком с бассейна W определяет степень трансформации паводка и может служить показателем регулирующей способности емкости лога перед сооружением.

Зависимость W_пp = f (H) может быть выражена кривой, построенной по плану в горизонталях участка местности перед сооружением. Принимая, что склоны бассейна имеют однообразные уклоны и могут быть представлены в виде двух плоскостей, пересекающихся по линии лога, эту зависимость молено выразить аналитически (рис. IX. 11):


Принимая по Д. И. Кочерину треугольную форму гидрографов притока и сбросных расходов, получим (см. рис. IX. 10)

При использовании таблиц расходов учет аккумуляции может быть выполнен только подбором. При использовании графиков можно выполнить расчет графо-аналитическим приемом О. А. Рассказова, заключающимся в том, что график (см. рис. IX.9) перестраивают в новую систему координат (Q_c и H³), на котором уравнение (IX.25) выражается прямой линией (рис. IX. 12). Для построения прямой аккумуляции достаточно соединить по линейке точки с координатами Q_л (на оси Q_c) и W: а (на оси H³). Пересечения прямой аккумуляции с кривыми пропускной способности труб дают искомые решения непосредственно без подбора.

Каждой точке пересечения соответствует сбросной расход Q_c и определенная величина подпора H³.

Выполняя при помощи ЭЦВМ построение гидрографов притока и сброса по балансу объемов стока и интервалам времени, А. А. Курганович получил более точное решение, чем по уравнению (IX.25). Результаты расчетов на ЭЦВМ представлены в табл. IX.10. Расчет выполняется непосредственно по уравнению



Использование табл. IX.10 и формулы (IX.26) в расчетах возможно следующим образом: задают предельный подпор перед сооружением Н, затем вычисляют объем пруда W_пр и, зная объем стока W, находят по табл. IX.10 величину λ_р. Такой расчет удобен для определения отверстий мостов (см. ниже). При расчете отверстий труб эта последовательность расчета очевидно, используется с трудом, так как задать глубину воды Н, не зная сбросного расхода Q_c, не представляется возможным.



Основываясь на результатах массовых расчетов А. А. Кургановича на ЭЦВМ (см. табл. IX. 10), можно уточнить учет аккумуляции при назначении отверстий труб. Эти расчеты показали, что фактическое (криволинейное) очертание линии сбросных расходов по сравнению с прямой Д. И. Кочерина приводит к большему снижению расчетного расхода. При этом прямая Д. И. Кочерина на графике заменена О. В. Андреевым двумя отрезками прямых (рис. IX. 13), один из которых охватывает всю зону снижения сбросных расходов, разрешаемую Техническими условиями на проектирование мостов и труб (СН 200-62), по которым уменьшение расхода в сооружении не допускается более чем в 3 раза.

Два отрезка прямых выражают уравнениями:

для зоны λ_р от 1 до 0,33

для неиспользуемой зоны λ_р < 0,33


При использовании этих уравнений построения прямой аккумуляции на графике рис. IX.12 заменяются построениями ломаной линии, приведенными на рис. IX. 14. Эффект учета аккумуляции оказывается при этом возросшим по сравнению с использованием формулы (IX.25).

§ IX.6. РАСЧЕТ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ МОСТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ СООРУЖЕНИИ

Приближенный расчет отверстий малых мостов (рис. IX.15) обычно следует производить по схеме свободного истечения, пользуясь формулой (IX.20), которая легко преобразуется к виду

Зная, что , принимают такую последовательность расчета:

задают скорость v_c по желательному типу укрепления русла под мостом, пользуясь табл. VIII. 4;

вычисляют напор Н;

вычисляют объем пруда W_пр = аН³;

находят коэффициент λ_р по табл. IX. 10.

Тогда без каких-либо последовательных приближений и с учетом аккумуляции воды перед насыпью


Принимая для осуществления типовой проект моста с отверстием b, следует пересчитать напор по формуле



Задавая скорость v_c, следует учитывать, что она будет наблюдаться в потоке лишь на очень коротком протяжении в зоне глубины h_c в связи c чем табличные скорости (см. табл. VIII.4) можно повышать приблизительно на 10%.

При очень глубоком потоке воды в отводящем русле отверстие моста рассчитывают по схеме несвободного истечения, наступающего после того, как прыжок, возникновение которого возможно в сжатом сечении, будет надежно затоплен бытовым уровнем, т. е. при условии, что бытовая глубина


так как h_c = 0,9 h_k. Здесь Н_с рассчитывают по формуле

При несвободном истечении необходимое отверстие моста равно

Величину сбросного расхода Q_c рассчитывают по формуле (IX.27) с вычислением объема пруда по ожидаемой глубине воды перед сооружением



Отметка насыпи у труб назначается не менее чем на 1 м выше подпертого уровня воды при полунапорном и напорном режимах и на 0,5 м — при безнапорном. Над верхом трубы отметка насыпи должна быть выше, не менее чем на толщину дорожной одежды. Это обеспечивает необходимую засыпку над трубой и неподтопляемость дорожной одежды при длительном стоянии воды перед сооружением (рис. IX. 16).



Высота моста назначается по формуле (см. рис. IX.16)


Бровка насыпи у моста также должна быть поднята над подпертым уровнем воды, не менее чем на толщину дорожной одежды.

Длина моста по верху назначается исходя из крутизны откоса конусов и высоты верха моста над дном лотка. При этом следует учитывать, что необходимое отверстие моста, рассчитанное по формуле (IX. 29) отсчитывается по свободной поверхности потока, а при несвободном протекании – по средней линии (т. е. на глубине 0,5h_б).

§ IX.7. РАСЧЕТ РАЗМЫВОВ И УКРЕПЛЕНИЙ РУСЕЛ ЗА МАЛЫМИ МОСТАМИ И ТРУБАМИ
Опыт эксплуатации малых искусственных сооружений показывает, что в подавляющем большинстве случаев их повреждения связаны о воздействием потока воды, и размывы обычно начинаются на выходных участках.

Скорости на выходе из сооружения достигают 5- 6 м/с, в то время как допускаемые скорости для грунтов отводящих русел составляют 0,7-1,0 м/с.

Вытекающий поток воды находится чаще всего в бурном состоянии и обладает большой кинетической энергией, которая и вызывает размыв русла за сооружением.

В большинстве случаев русло нижнего бьефа за водопропускными сооружениями имеет большую ширину, чем ширина отверстия водопропускного сооружения.

Характер пространственного движения потока в очень широком нижнем бьефе зависит от глубины воды в нем и параметров потока на выходе из сооружения.

В зависимости от бытовой глубины потока в укрепленном отводящем русле возможны три формы сопряжения потока, выходящего из водопропускного сооружения, с бытовым потоком в широком нижнем бьефе, когда В_русла > 8 b_cooр:

1. Сопряжение по типу затопленной струи. Этот вид сопряжения наблюдается, когда струя, вытекающая из сооружения, будет полностыо затоплена (рис. IX. 17, а). В нижнем бьефе происходит растекание струи в массе воды; при этом происходит постепенно уменьшение скоростей течения вдоль потока.

2. Сопряжение по типу сбойного течения. Этот вид сопряжения наблюдается при глубине нижнего бьефа, несколько меньшей глубины, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения. Сбойному течению присущи некоторые опасные свойства (рис. IX.17, б).

Поток, выходящий из сооружения в нижний бьеф, движется сначала без растекания в стороны. С боковых сторон поток граничит с водоворотными зонами, которые могут даже сжимать транзитный поток. При снижении глубины нижнего бьефа до глубины, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения, происходит свал потока в одну сторону, и сопряжение бьефов осуществляется в форме пространственного гидравлического прыжка, а динамическая ось потока искривляется. При этом транзитная струя натекает с большой скоростью на боковые стенки отводящего русла. Уменьшение скоростей в транзитной струе и выравнивание их по сечению отводящего русла происходят очень медленно.

В результате этого требуется крепление не только дна но и стенок отводящего русла на значительном протяжении.

3. Сопряжение по типу свободного растекания бурного потока. Растекание бурного потока в очень широких нижних бьефах характеризуется следующими особенностями. Поток, выходящий из отверстия, попадает в отводящее русло, глубина в котором меньше, чем глубина на выходе из сооружения. Под действием силы тяжести происходит растекание потока в стороны (по направлению к берегам). Это растекание происходит до тех пор, пока глубина бурно растекающегося потока не будет равна глубине, взаимной с бытовой глубиной. Под взаимными (или сопряженными) имеются в виду глубины, связанные уравнением гидравлического прыжка.

В результате этого область растекания бурного потока, сопрягающаяся с бытовым потоком и водными массами нижнего бьефа посредством косых гидравлических прыжков, принимает в плане характерную форму «лепестка» (рис. IX. 17, в)

Растекание бурного потока в узких нижних бьефах характеризуется следующими особенностями. Поток, выходящий из сооружения, растекается в стороны и окаймляется водоворотными зонами. В местах набегания крайних струек потока на боковые стенки отводящего русла, т. е. в сечении полного растекания, происходит внезапное увеличение глубин и образование косых гидравлических прыжков. Эти косые гидравлические прыжки распространяются вниз по течению. Если бытовой поток находится в спокойном состоянии, в отводящем русле наблюдается обычный гидравлический прыжок. С увеличением бытовой глубины прямой гидравлический прыжок придвигается ближе к своему предельному положению в сечении полного растекания. Если глубины нижнего бьефа больше глубины, при которой прямой гидравлический прыжок располагается в сечении полного растекания, то происходит прорыв водных масс в одну из водоворотных зон и переход к сбойному течению.

Для предотвращения размывов выходных участков следует защищать лог на определенной длине.

Защита от размыва заключается в правильном выборе типа и размеров укрепления, которые назначают или из условия отсутствия местного размыва, или из допущения размыва, но безопасного для устойчивости как укрепленного участка русла, так и самого сооружения.

Назначение типа укрепления по скорости на выходе из трубы справедливо только для спокойных потоков (первый тип сопряжения). При растекании бурных потоков скорости получаются значительно большими, чем выходные; скорость может увеличиться примерно в 1,5 раза.

Выходные участки не укрепляют только в тех редких случаях, когда скорости на выходе из сооружения весьма малы и не могут нарушить устойчивость как самого русла, так и сооружения.

Опыт проектирования защитных устройств у малых водопропускных сооружений показывает, что нецелесообразно устраивать весьма длинные укрепления отводящих русел, за которыми нет размыва. Значительно экономичнее устраивать короткие укрепления, заканчиваемые предохранительными (погребенными) откосами, над которыми и располагаются ямы размывов, безопасные для укрепления и сооружения (рис. IX. 18), если низ откоса заложен ниже дна ямы.

Глубина заложения предохранительного откоса зависит как от гидравлических характеристик потока, так и от длины укрепления. Для быстрого определения глубины размыва за укреплениями при наиболее часто встречающемся свободном растекании можно воспользоваться следующими данными теоретического расчета:



Из приведенных данных следует, что при отсутствии укрепления за сооружением развивается размыв Δ_р ≈ 1,5 Н. Устройство укрепления длиннее (3-4) b нецелесообразно. Очертание укрепления в плане показано на рис. IX. 19.


Возможен и более точный расчет размывов с учетом типа сопряжения. Эти расчеты излагаются в специальной справочной литературе. В основе этих расчетов, в одной стороны, лежит учет сопротивляемости грунта размыву, а с другой — обязательная гидравлическая структура потока, связанная с размещением прыжка непосредственно в конце укрепления, т. е. над размывом.