Расчёт гидравлических параметров водопропускных труб и его реализация в программных продуктах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Расчёт гидравлических параметров водопропускных труб и его реализация в программных продуктах

DOI: 10.17273/CADGIS.2019.2.6 Савельева Т.Н., системный аналитик ООО «ИндорСофт» (г. Томск)

В статье рассмотрены основные гидравлические характеристики водопропускных труб, способ их расчёта в заданных гидрологических условиях, а также возможность оценки водопропускной способности и подбора соответствующей конструкции искусственных сооружений данного типа в программах IndorCulvert и Топоматик Robur-Искусственные сооружения.

Введение

В данной статье рассмотрим режимы работы и гидравлические параметры водопропускных труб, расчёт их пропускной способности, а также возможность оценки режима протекания и основных гидравлических характеристик труб в современных программных продуктах, представленных на российском рынке программного обеспечения [1].

Водопропускные трубы являются одним из наиболее массовых видов искусственных сооружений на дорогах разного назначения. В настоящее время их число на железных дорогах в районах с различным рельефом местности составляет 0,3-0,9 трубы, а на автомобильных — примерно 1,4 трубы на 1 км трассы [2]. Перспективы развития строительной индустрии требуют совершенствования конструктивно-технологических параметров возведения таких сооружений при снижении стоимости конструкций и работ, связанных с ними. В том числе нужен более точный подбор конструкции для гидрологических условий местности. Это приводит к необходимости выполнения оценки пропускной способности труб на этапе их проектирования.

Пропускная способность дорожных труб зависит главным образом от напора перед сооружением, размера отверстий и конструкции входных оголовков. Расчёт пропускной способности выполняют по уравнениям гидравлики, соответствующим режиму протекания потока через сооружение [3].

Режимы работы водопропускной трубы

В зависимости от характера затопления оголовков режимы работы водопропускных труб разделяют на безнапорный, полунапорный и напорный.

При безнапорном режиме входной оголовок не затоплен и на всём протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (рис. 1). Водопропускная труба при безнапорном режиме работает аналогично водосливу с широким порогом [2].

Верхней границей безнапорного режима является напор (Н), при котором происходит затопление входного оголовка. Приближённо можно принимать, что затопление происходит при Н/h = 1,1 (для оголовков воротникового типа это значение составляет 1,2, для оголовков коридорного типа — 1,3).

Полунапорный режим сменяет безнапорный при затоплении входного оголовка (рис. 2). При полунапорном режиме водопропускная труба работает аналогично случаю истечения потока из-псд щита [2].

Верхней границей полунапорного режима является расход (напор), при котором происходит «зарядка» трубы, т.е. смена полунапорного режима напорным, при котором труба на всей длине начинает работать полным сечением (рис. 3).

При полунапорном и напорном гидравлических режимах над затопленным входным оголовком самопроизвольно формируются вихревые воронки (одна или несколько одно-

временно), через вихревые шнуры которых в трубу поступает воздух.

Поступающий в трубу с «несамоза-ряжающимся» входным оголовком воздух через вихревую воронку может привести к срыву переходного режима и формированию полунапорного режима. Пропускная способность трубы при этом снижается, напор Н перед ней увеличивается (при постоянной величине расхода веды О), и если при этом произойдет «зарядка» трубы, то сформируется крайне неблагоприятная форма переходного режима с периодической «зарядкой» и «разрядкой» водопропускной трубы.

Такой переходный режим работы водопропускной трубы считается недопустимым. Поэтому гладкостенные водопропускные трубы в настоящее время проектируются на работу в безнапорном режиме, хотя при работе в полунапорном и напорном режимах их пропускная способность существенно возрастает.

Основные гидравлические характеристики трубы и особенности их расчёта

В качестве исходных данных для гидравлических расчётов используются следующие данные, получаемые в процессе гидрологических изысканий:

• расчётный расход с вероятностью превышения 1%;

• объём стока;

• топографический план бассейна водосбора;

• продольный профиль автомобильной дороги;

Рис. 1. Работа водопропускной трубы в безнапорном режиме

Рис. 2. Работа водопропускной трубы в полунапорном режиме

Рис. 3. Работа водопропускной трубы в напорном режиме

>' —\ ^----—ТТ х___

Zif

Рис. 4. Водопропускная труба и её гидравлические параметры: ^ — высота трубы; Н — подпор перед трубой; — глубина воды на входе; г'Т — уклон трубы

• поперечные профили автодороги по линиям водоразделов рассматриваемого бассейна;

• информация о наличии существующих водопропускных сооружений на рассматриваемом водотоке; информация о расположенных в непосредственной близости существующих автодорог и железнодорожных линий.

Водопропускные сооружения рассчитываются на пропуск максимальных расчётных расходов определённой вероятности превышения, которая зависит от категории дороги [4]. По результатам гидравлических расчётов должны быть установлены следующие параметры, определяющие основные размеры сооружений: наибольшая глубина перед сооружением, определяющая высоту дорожной насыпи;

глубина воды на входе и в сооружении, определяющая режим протекания и заполнения водовода;

• глубина воды и скорость на выходе из сооружения, по которым назначаются размеры и тип укреплений на выходе.

Порядок расчёта основных характеристик

Согласно [5] рекомендован следующий алгоритм расчёта водопропускной способности трубы.

1. Расчётная зависимость расхода, поступающего в сооружение, от подпора перед трубой представлена следующим образом:

к

о=0ПР а-у^н^ (1)

1л1с }/}/

где Опр — расход воды с соответствующей вероятностью превышения, м3/с;

Ш — объём стока для гидрографа с наибольшим расходом, м3; /л — уклон лога перед сооружением, %;

/с — уклон склонов перед сооружением, %;

к0 — коэффициент, зависящий от очертания пруда в плане, продольного и поперечного профиля по логу, определяется по приложению А [5].

Строится зависимость О=/(Н).

2. Предварительно назначается отверстие трубы по действующему типовому проекту с учётом требований [СП] о минимальном отверстии трубы.

3. Проверяется условие безнапорного режима в зависимости от типа входного оголовка:

• для всех типов оголовков, кроме воротниковых и коридорных, затопление происходит при

Нь=1,1;

• для оголовков воротникового типа затопление происходит при

НЬт=1,2;

• для оголовков коридорного типа затопление происходит при

НЬт=1,3.

4. При невыполнении условия безнапорного протекания диаметр отверстия трубы увеличивается.

5. Определяется тип трубы в гидравлическом отношении. Для этого вычисляется критический уклон трубы по формуле:

• 0 2 ^ (2)

н = ( Q Г5 Нкор KmbkVg '

*кр ю2 CA aClbk'

С = -i Rу

^к ft^-kf

(3)

где т — коэффициент расхода при совершенном сжатии потока на входе, принимаемый по таблице 2 Приложения А;

Ьк — средняя ширина потока в сечении с критической глубиной; для прямоугольных труб равна ширине трубы, для круглых определяется по графику на рисунке 5.

Перед гидравлически «длинной» трубой подпор определяется по формуле:

к Ь т

Hm - hT [ f- + 0,005 (-f-20)( f* )],

где О — расчётный расход потока,

м3/с;

о)к — площадь живого сечения потока (м2) при критической глубине h м;

Ьк — ширина потока поверху, м; Rk — гидравлический радиус сечения потока, м;

g — ускорение свободного падения,

м/с2;

а — коэффициент Кориолиса, принимаемый равным 1,1; X k — смоченный периметр сечения потока, м;

Ск — коэффициент Шези, определяемый по формуле Павловского:

(6)

где Нор — подпор перед аналогичной «короткой» трубой, м.

7. По полученному значению подпора проверяется условие безнапорного протекания в соответствии с п.3.

8. Выполняются также следующие проверки уровня подпора:

• возвышение бровки земляного полотна по продольному профилю трассы в границах бассейна водосбора: не менее чем на 0,5 м; отсутствие перелива воды в соседний бассейн — проверяется по поперечному профилю земляного полотна автодороги в местах водоразделов;

• при наличии вблизи мостов и труб инженерных сооружений, зданий и сельскохозяйственных угодий необходимо проверить их безопасность от подтопления

где п — коэффициент шероховатости, равный для бетонной поверхности 0,015;

у=2,5 \П - 0,13 - 0,75 ^ (Vп - 0,1). (4)

В случае, если уклон трубы больше или равен критическому значению уклона /т > /кр , то труба любой длины является «короткой» в гидравлическом отношении.

Во всех остальных случаях труба считается «длинной» в гидравлическом отношении.

6. Далее определяется подпор перед трубой.

Для гидравлически «короткой» трубы он вычисляется по формуле:

Рис. 5. График для определения средней ширины потока в сечении с критической глубиной в трубах с непрямоугольным сечением (I — для круглого сечения; II — для лоткового, III — для овоидального)

вследствие подпора воды перед сооружением;

• при наличии в непосредственной близости автомобильной или железной дороги с водопропускным сооружением, расположенном на том же водотоке, проверить взаимное влияние уровней подпертых вод на режим работы соседнего сооружения. В случае невыполнения проверок производится увеличение отверстия трубы и расчет повторяется.

9. Определяется глубина и скорость воды на выходе из трубы.

Глубина потока на выходе определяется из выражения:

h

вых- = Л № ), (7)

'вых

а О2 в

ё

О

Рис. 6. Главное окно системы IndorCulvert

График боЭопропускнои способности трубы

где ^ — критическая глубина в трубе, м; АК — коэффициент, определяемый исходя из формы сечения трубы по приложению А ОДМ. Критическая глубина вычисляется из выражения:

(8)

где а — коэффициент Кориолиса, принимаемый равным 1,1; О — расход, м3/с;

ё — ускорение свободного падения, м/с2; юк — площадь живого сечения при критической глубине, м2;

ВК — ширина живого сечения по свободной поверхности при критической глубине, м. Скорость потока на выходе из трубы определяется по формуле:

(9)

где О — расчётный расход потока, м3/с; &>вых — площадь живого сечения потока (м2) на выходе из трубы.

Таким образом, исходя из рассчитанных значений подбирается минимальный диаметр трубы, при котором сооружение будет исправно работать в заданных гидрологических условиях.

Рис. 7. График водопропускной способности трубы в системе IndorCulvert

Реализация расчёта гидравлических параметров в программных продуктах

^огСи№ен

Система проектирования водопропускных труб ШогСи^еЛ («ИндорСофт», г. Томск) представлена на рынке программного обеспечения с 2015 года [6] (рис. 6).

В программе реализована поддержка большого количества типовых альбомов водопропускных труб, что позволяет создавать несколько вариантов конструкции трубы, по

Рис. 8. Отображение уровня воды на входе трубы на чертеже в системе IndorCulvert

Рис. 9. Отображение уровня воды на выходе трубы на чертеже в системе IndorCulvert

Расчетные Аонные

Параметры трубы

Форма сечения зЬеньеВ Круглая труба

Диаметр отверстия, м 1

Длина тело трубы, м 23.30

У клан латка, %о ООО

Материал эЬеньеЬ Гладкий (бетон)

Тип оголобка на ВхоЗе Портальная стенка с открылками

Тип оголоВка на Выходе Портальная стенка с открылками

Исходные данные

Расчётный расход, м3/с 200

Скорость Йоды на Входе, м/с 000

Глубина йоды на ВхоЗе. м 1.35

Результаты расчёта

Режим протекания Воды Короткая труба затопленная с Верхнего бьефа

Ширина потока, м 07Ь

Площадь потока м' 2.31

Число Фруда 093

Критический уклон, %о 933

Критическая глубина, м 08!,

Глубина йоды на Выходе, м 0.8;

Скорость Йоды на Выходе, м/с 285

Рис. 10. Таблица исходных и рассчитанных параметров трубы в системе ПСогСи^еП

каждому из которых автоматически формируется чертёж и строится трёхмерная модель конструкции. Расчёт укладки звеньев может быть произведён как автоматически, так и вручную. Интерактивное создание полноценного чертежа по всем вариантам делает выбор оптимальной конструкции трубы удобным и наглядным.

В 2018 году в систему проектирования водопропускных труб МогСи^еЛ в режиме бета-тестирования был введён расчёт водопропускной способности труб. Он выполняется следующим образом: сначала задаётся конструкция трубы, затем для неё ведётся проверка условий протекания воды.

В проекте задаётся расход воды, на основе которого вычисляется режим протекания, а также

строится график водопропускной способности трубы. С помощью него можно определить величину расхода, при которой начнётся подтопление верхнего бьефа и труба войдёт в полунапорный режим, что для гладкостенных железобетонных труб является нежелательным.

На чертеже представлены вычисленные в ходе расчёта глубины воды на входе и выходе трубы (рис. 8, 9).

Основные гидравлические параметры трубы также рассчитываются и приводятся рядом с чертежом в виде таблицы (рис. 10).

Топоматик ^Ьиг-Искусственные сооружения

Для расчёта водопропускной способности сооружения в системе Топоматик Robur-Искусственные сооружения (НПФ «Топоматик», г. Санкт-Петербург) также сначала формируется конструкция трубы, указывается её расход и режим работы. В рабочей области обозначается место предполагаемой укладки трубы на поперечном сечении дороги (рис. 11).

На рисунке 12 представлены карточка параметров конструкции трубы и карточка объекта (участка проектирования). В случае, если для указанных параметров конструкции желаемый режим протекания является невозможным, система выдаст предупреждение об этом.

Далее производится расчёт раскладки трубы и оценка её конструктивных параметров (рис. 13).

Затем нажатием кнопки «Создать чертёж» можно сформировать и просмотреть чертёж полученной конструкции (рис. 14).

Рис. 11. Место предполагаемой укладки трубы в системе Топоматик Robur-Искусственные сооружения

Свойства трубы X

Название и комментарий Основные параметры фундам ент, отверстия и оголовки Укрепление откосов и русла

Тип проектирования! Тип дороги:

Новое строительство - Автомобильная V

Отметка русла, м: Зысота насыпи (расчетная), м:

615.39 © 181 ©

Уклон, %о: <оэффициент строит, подъема:

10 © |во ©

V Л

Слева: Справа:

11° 1

Слева: Справа:

X -И.788 У 615,365 X 14.723 ¥ 615,416

| ОК | Отмена

Рис. 12. Исходные данные для формирования конструкции трубы

Информация X

Раскладка успешно проведена чЩР Секция: 2.01, количество: 0 Секция: 3.02, количество: 5 Количество швов: 4 Длина левой части трубы: 10.3 Длина правой части трубы: 10.2 Длина трубы: 20.5

Отклонение от теоретической длины: 0.5 Длина трубы без оголовков: 15.2

ОК

Рис. 13. Автоматическая раскладка трубы в Топоматик Robur-Искусственные сооружения

Расчетные гидравлические параметры X

Критическая глубина, м: |1.2

Глубина в сжатом сечении, м:

Подпор перед трубой, м: М

Критический уклон, И

Скорость на выкоде из трубы, м/с^Н |4,

Скорость при критическом уклоне, м/с: 1,7

Рис. 14. Чертёж трубы в Топоматик Robur-Искусственные сооружения

Рис. 15. Рассчитанные в программе Топоматик Robur-Искусственные сооружения гидравлические параметры

На основе имеющихся данных об участке проектирования и предварительной конструкции трубы рассчитываются гидравлические характеристики сооружения. Полученные значения выводятся в отдельном окне (рис. 15).

Заключение

Расчёт водопропускной способности трубы на этапе проектирования позволяет наиболее точно подобрать оптимальные параметры конструкции трубы. Использование автоматизированного расчёта гидравлических характеристик для нескольких вариантов конструкций в одном проекте помогает значительно ускорить и упорядочить процесс выбора оптимальной конструкции для определённого участка, что в итоге позволяет экономить трудовые и денежные ресурсы. й

Литература:

1. Федотов Н.Г., Кривых И.В. Обзор программных продуктов для проектирования водопропускных труб // САПР и ГИС автомобильных дорог. 2015. № 2(5). С. 86-93. DOI: 10.17273/CADGIS.2015.2.13

2. Алтунин В.И., Суэтина Т.А., Черных О.Н. Гидравлические расчёты водопропускных труб на автомобильных дорогах. Учебное пособие. М.: МАДИ, 2016, 92 с.

3. Пособие по гидравлическим расчётам малых водопропускных сооружений. М.: Транспорт, 1992, 408 с.

4. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84. М.: ОАО «ЦПП», 2011. 345 с.

5. ОДМ 218.2.082-2017. Методические рекомендации по проведению гидравлических расчётов малых ИССО на автомобильных дорогах. М., 2017. 45 с.

6. Райкова Л.С., Снежко И.В., Шаймарданов М.Ш. ^огСи^еА: как надёжный инструмент для проектирования водопропускных труб // САПР

и ГИС автомобильных дорог. 2016. № 1(6). С. 34-36. DOI: 10.17273/CADGIS.2016.1.6