Основы гидравлических расчётов водопропускных труб

25.05.2016

Бесперебойное функционирование транспортной магистрали обеспечивается только при гарантированном пропуске расчетного расхода поверхностных вод под дорожной насыпью. В этой связи конструкция и размер водопропускной трубы назначаются на основании её гидравлического расчета, который является неотъемлемой составной частью каждого проекта водопропускного сооружения согласно действующим нормативным рекомендациям.
Расчет труб и пойменных насыпей на воздействие водного потока производится по гидрографам и графикам расчетных паводков. При этом вероятности превышения максимальных расходов расчетных паводков следует принимать с учетом категории дороги в соответствии с требованиями СНиП. Расчётные расходы для водопропускных труб на автомобильных дорогах назначаются:
- для автомобильных дорог I категории - 1 и 2%;
- для автомобильных дорог Il и III категорий - 2 и 3%;
- для автомобильных дорог IV и V категорий - 3 и 5%;
- для труб на подъездных путях промышленных и сельскохозяйственных предприятий, не допускающих перерыва движения, вероятность превышения расчетных расходов уровня воды следует принимать равной 1% (1:100).
При определении глубины размыва и размеров укреплений расчетные расходы (для учета возможных ошибок) увеличиваются на 30...35%.
Любая дорожная водопропускная труба, как гладкая, так и гофрированная, может работать как минимум в трех основных гидравлических режимах: безнапорном, полунапорном и напорном (рис. 3.1). Движение водного потока в металлической гофрированной трубе (МГТ) при этих режимах показано на рис. 3.3.
Основы гидравлических расчётов водопропускных труб

При безнапорном режиме входной оголовок не затоплен и труба работает неполным сечением аналогично водосливу с широким порогом (рис. 3.1а и 3.2а, б). Если сжатая глубина hC и критическая hK на входном участке трубы не затоплены, то длина трубы не влияет на её пропускную способность, которая зависит только от условий движения потока на входном участке. В этом случае она является «короткой» в гидравлическом отношении. Пропускная способность «короткой» трубы в основном определяется конструкцией входного оголовка. Сказывается также несовершенство планового сжатия на входе и в небольшой степени влияние уклона.
Затопление hC и hK на входе за счет сопротивлений по длине трубы приводит к тому, что на пропускную способность трубы, помимо сопротивлений на входном участке, оказывают влияние и сопротивления по длине трубы. Трубы, работающие таким образом, называются «длинными» (рис. 3.2б).
Основы гидравлических расчётов водопропускных труб

Если уклон трубы равен или превышает критический iT ≥ iK, то труба любой длины работает в безнапорном режиме по типу «короткой». Верхней границей безнапорного режима является напор Н, при котором происходит затопление входного оголовка: hВХ/d = 1,0.
По влиянию глубины воды в нижнем бьефе трубы делятся на затопленные с нижнего бьефа и незатопленные. Затопленными с нижнего бьефа считаются трубы, работающие в условиях, при которых уровень нижнего бьефа влияет на пропускную способность трубы вследствие затопления сечений сжатого и с критической глубиной на входе.
Гидравлические расчеты безнапорных «коротких» незатопленных труб заключаются в определении по известному расходу Q напора H перед трубой, по которому проверяют возвышение бровки земляного полотна, или расхода по известному напору Н, степени заполнения трубы при безнапорном режиме протекания потока и скорости на выходе из труб для назначения укрепления. Для предварительного расчета пропускной способности круглых и прямоугольных гладких труб с оголовками основных типов при безнапорном режиме, работающих по типу «коротких», можно пользоваться номограммами, приведёнными в справочной литературе.
При затоплении входного оголовка безнапорный режим обычно сменяется полунапорным (рис. 3.2г). При полунапорном режиме водопропускная труба работает аналогично случаю истечения потока из-под щита.
В гладкостенных водопропускных трубах могут формироваться и переходные режимы. Обычно это наблюдается при «зарядке» трубы, когда происходит смена полунапорного режима напорным режимом (рис. 3.2г и 3.2д). Следует отметить, что в гладкостенных трубах с обычными типами применяемых входных оголовков самопроизвольная «зарядка» является непрогнозируемой. Если же уклон трубы равен критическому уклону или превышает его, то «зарядка» по теории произойти вообще не может, поскольку в трубе не формируется гидравлический прыжок. Тем не менее, «зарядка» происходит и в случаях, когда она произойти не должна. Если же на входе в трубу устраивается так называемый «самозаряжающийся» входной оголовок (например, типа «капюшон»), то «зарядка» наступает гарантированно при небольшом затоплении входного оголовка трубы при любом её уклоне.
Формирование напорного режима после «зарядки» гладкостенной трубы приводит к увеличению её пропускной способности по сравнению с полунапорным режимом, которое тем значительнее, чем больше уклон трубы. Если расход Q, подаваемый к трубе, поддерживается постоянным, то происходит уменьшение напора H в верхнем бьефе перед трубой. Понижение происходит до уровня, при котором подаваемые к трубе и пропускаемые ею расходы воды не сравниваются. Если при этом уровне входной оголовок затоплен и в трубу не поступает воздух со стороны входного оголовка за счет малой величины его затопления, то труба начинает работать в напорном режиме, что может происходить только при малых уклонах последней.
Снижение пропускной способности гладкостенной трубы за счет уменьшения величины H происходит до некоторого минимального уровня, при котором в трубу начинает поступать воздух. Если пропускная способность трубы при этом оказывается выше подаваемого расхода, то дальнейшее снижение пропускной способности трубы происходит за счет поступления в неё воздуха. В трубе формируется переходный режим. Характер движения воздуха, поступающего в трубу при переходном режиме, зависит от конструкции входного оголовка. При типовых конструкциях входных оголовков (портальный, раструбный и др.) в гладкостенной трубе формируется гидравлический прыжок, который захватывает поступающий в неё воздух. При этом на начальном участке трубы перед прыжком движение водного потока безнапорное с вакуумметрическим давлением на свободной поверхности, а за прыжком - труба работает полным сечением, но водный поток насыщен пузырьками воздуха.
Если же входной оголовок «самозаряжающийся», то поступающий в трубу воздух перемещается по ней в виде воздушных пузырей и водяных пробок («slugs»).
В трубе возможно формирование и ещё одного вида переходного режима. Возникает он в том случае, если после «зарядки» трубы при полунапорном режиме и уменьшении напора H происходит не формирование вышеописанных переходных режимов, а «разрядка» трубы. Она начинает работать в полунапорном режиме, пропускная способность трубы снижается, напор H увеличивается, и если произойдет повторная «зарядка» трубы, то формируется крайне неблагоприятная форма переходного режима с периодической «зарядкой» и «разрядкой» трубы, а также резкими повышениями и понижениями уровня воды перед трубой. Допускать формирование такого режима, конечно, нельзя, как и переходного режима с гидравлическим прыжком в трубе или движением воздушных пузырей по трубе, поскольку в самой трубе, на входном и выходном участках - движение резко нестационарное, сопровождающееся повышенными турбулентными пульсациями давления и скорости потока.
Таким образом, даже при небольшом уклоне гладкостенной трубы её самопроизвольная, искусственная или непрогнозируемая «зарядка» приводит к формированию в трубе крайне неблагоприятного, резко нестационарного переходного режима. При малых же уклонах трубы iT, близких к нулю, после «зарядки» не происходит формирование в гладкостенной трубе переходного режима, но её устойчивая работа в напорном режиме совсем не гарантирована. Объясняется это тем, что в верхнем бьефе перед трубой формируются вихревые воронки (одна или несколько одновременно), через которые в трубу поступает воздух. За счет замещения воды воздухом изменение пропускной способности трубы небольшое, но на входном участке гладкостенной трубы при напорном режиме, вследствие сжатия потока на входе, даже при минимальных уклонах трубы формируется вакуум-метрическое давление. Поэтому попадающий в трубу через вихревую воронку воздух изменяет величину вакуумметрического давления в трубе и за счет этого снижает её пропускную способность.
Происходит увеличение напора H перед трубой, определяемое количеством поступающего воздуха, которое в свою очередь зависит от интенсивности вихреобразования и от продолжительности существования вихревой воронки. Если же количество поступающего через вихревую воронку в трубу воздуха значительное, то в ней возникает вышеописанный переходный режим с гидравлическим прыжком (формирование такого режима в модели гладкостенной водопропускной трубы демонстрируется студентам дорожно-строительного факультета МАДИ при проведении учебных лабораторных занятий).
Все вышеизложенное и явилось причиной недоверия к напорному режиму в отечественной проектной практике, хотя он является самым экономичным как по использованию живого сечения трубы, так и по скоростям на выходе из неё.