Особенности работы МГТ в различных гидравлических режимах

25.05.2016

В современных Рекомендациях по проектированию и строительству труб из металлических гофрированных структур в РФ на постоянно действующих автодорогах в качестве расчетного режима работы МГТ принимается безнапорный режим, при котором входной оголовок не затоплен и движение водного потока в трубе безнапорное (рис. 3.3а и 3.3б). Между поверхностью потока в трубе диаметром до 3,0 м и шелыгой её свода должен сохраняться зазор не менее 1/4 отверстия трубы в свету, а в трубах диаметром более 3,0 м - не менее 0,75 м. Кроме того, ограничивается заполнение входного и выходного сечений МГТ при пропуске расчетного и наибольшего расходов в безнапорном режиме, которое не должно превышать 0,75 и 0,9 от высоты МГТ соответственно.
Такие ограничения объясняются желанием сохранить безнапорный режим работы МГТ и в том случае, если поступающий к сооружению расход несколько превысит расчетный расход. «Зарядка», переход к напорному режиму и работа в нем, как отмечается в Руководстве, «сопровождается резкими колебаниями уровня воды перед насыпью и вибрациями МГТ, что сокращает срок её службы». Очевидно составители Руководства полагают, что и в МГТ формирование вышеописанных переходных режимов возможно и поэтому считают это недопустимым. Представляется, что мнение о возможности формирования переходных режимов в МГТ с гладким лотком по дну или без него не является очевидным и требует экспериментальной проверки в натурных условиях или на модели.
МГТ в отличие от гладкостенной трубы может работать также в частично-напорном режиме, при котором часть трубы со стороны входного оголовка работает полным сечением, а на концевом участке - движение безнапорное (рис. З.Зг). В гладкостенной трубе формирование частично-напорного режим тоже возможно, но длина концевого безнапорного участка мала и такой режим практически соответствует напорному режиму при отсутствии подтопления трубы со стороны выходного оголовка (рис. 3.1в).
Особенности работы МГТ в различных гидравлических режимах

Следует отметить, что в Руководстве описывается один из возможных видов переходного режима, который формируется только при определенных условиях. Вероятность формирования такого вида переходного режима, связанного со сменой гидравлических режимов, отнюдь не гарантирована и весьма небольшая. С существенно большей вероятностью может сформироваться другой вид переходного режима, при котором не происходят значительные колебания уровня воды перед трубой, но движение водного потока нестационарное. Допускать работу водопропускной трубы в этом режиме не рекомендуется.
Работа МГТ в полунапорном (рис. З.Зв) и напорном (рис. З.Зд) режимах при пропуске расчетного и максимального расходов в Рекомендациях все же допускается, но только при их установке на временных автодорогах.
При этом необходимо:
- обеспечить герметичность всех стыковых соединений;
- применять входные оголовки только специальной конструкции;
- устраивать противофильтрационные экраны вокруг оголовков;
- обеспечивать фильтрационную устойчивость земляной насыпи и гарантированную надежность всей конструкции;
- укреплять русла на входе и выходе из МГТ.
Следует подчеркнуть, что выполнение перечисленных требований никак не влияет на условия формирования вышеописанных переходных режимов после «зарядки». Надежность сооружения при выполнении вышеперечисленных мероприятий, конечно, повышается и при кратковременной работе в переходном режиме сооружение вряд ли разрушится, но негативные последствия от работы в неблагоприятных условиях, несомненно, произойдут. Прежде всего, это размывы русла у входа в трубу и отводящего участка русла за трубой из-за нестационарности движения водного потока.
Составители Рекомендаций, разрешая проектирование МГТ, устраиваемых на временных автодорогах для пропуска расчетного и наибольшего расходов в полунапорном и напорном режимах, очевидно, понимают, что при этом в МГТ формируются вышеописанные формы переходного режима, но допускают это. Если МГТ будет действительно работать в вышеописанных переходных режимах, то это, безусловно, приведет к сокращению нормативного срока их безаварийной службы, который обычно составляет 50...70 лет, что требует экспериментального подтверждения.
Зарубежные рекомендации по назначению расчетного режима, во-первых, многообразны и, во-вторых, не исключают работу МГТ ни в одном из возможных гидравлических режимов - безнапорном, полунапорном, частично-напорном и напорном. Вероятно, они считают, что после «зарядки» трубы переходные режимы или не формируются, или работа в них не считается опасной. Ни в одном из многочисленных справочников, изданных в США, не обсуждается и вопрос о «зарядке» как гладкостенной трубы, так и выполненной из гофрированного металла с нормальной (МГТ) или спиральной формами гофра (СМГТ) с гладким лотком по дну или без него.
В США, Канаде, Швеции, Японии и других странах при большом разнообразии применяемых конструкций МГТ используется иная классификация гидравлических режимов их работы. К первому классу - «inlet control» относят режимы, при работе в которых, на пропускную способность МГТ влияют только сопротивления на входе. По отечественной классификации это безнапорный режим при условии работы МГТ по типу «короткой», когда сопротивления по длине не влияют на её пропускную способность, а также полунапорный режим. Ко второму классу - «outlet control» относят режимы, при работе в которых на пропускную способность МГТ влияют как сопротивления на входе, так и по длине МГТ. Это напорный режим и безнапорный, если труба работает по типу «длинной».
По одной из применяемых в США концепций по назначению расчетного режима при проектировании МГТ допускается работа МГТ в любом гидравлическом режиме. Однако оговаривается, что при пропуске расчетного расхода величина гидростатического напора перед трубой H не должна превышать 1,25d, где d - внутренний диаметр трубы (т.е. отношение H/d ≤ 1,25). При этом величина максимально допустимого предельного напора составляет (H/d)max = 3...5. Дается также указание, что если у проектировщика нет уверенности в условиях работы МГТ («inlet» или «outlet control»), то расчет выполняется по обоим вариантам и в качестве расчетного принимается максимальное значение из полученных напоров Н, при котором обязательно проводятся также фильтрационный расчет земляной насыпи и расчет устойчивости откосов. Практически такой же подход и в последнем справочнике по гидравлическим расчетам дорожных водопропускных труб, но величина относительного напора перед МГТ не ограничивается, хотя указывается, что перелив через дорожную насыпь при пропуске расчетного расхода допускать не следует.
В справочнике также ограничивается величина относительного напора H/d:
- при d ≤ 1,2 м (48 дюймов) - H/d ≤ 1,5;
- при d > 1,2 м (48 дюймов) - H/d ≤ 1,2.
Указывается, что величина уклона МГТ iT не должна превышать 25%, т.е. iT ≤ 0,25, что существенно больше значения уклона iT = 0,05, который принимается в РФ с 2009 г. в качестве максимально допустимого.
Такой же подход используется и в справочнике по автомобильным дорогам, но даются свои рекомендации:
- при d ≤ 4,5 м - H/d ≤ 1,5;
- при d > 4,5 м - H/d ≤ 1,0.
В справочнике приводятся достаточно детальные рекомендации по назначению величины максимально допустимого относительного напора:
- при d < 0,91 м (36 дюймов) - H/d ≤ 2,0;
- при d = 0,91...1,52 м - H/d ≤ 1,7;
- при d = 1,52...2,13 м (84 дюйма) - H/d ≤ 1,5;
- при d = 2,13...3,05 м - H/d ≤ 1,2;
- при d = 3,05 м (120 дюймов) и более - H/d ≤ 1,0;
В справочнике по гофрированным водопропускным трубам, изданном в Канаде, дается рекомендация обеспечивать пропуск малых расходов большой обеспеченности (10%) без учёта статического напора на входе, т.е. в безнапорном режиме, а расход 1% обеспеченности пропускать со статическим напором, т.е. в полунапорном или напорном режимах.
Практически во всех рассмотренных зарубежных справочниках рекомендуемый напор H перед МГТ при пропуске расчетного расхода обеспечивает затопление входного оголовка и работу трубы в полунапорном или напорном гидравлических режимах. Однако четких рекомендаций по установлению конкретного режима не дается и даже предлагается принимать в качестве расчетного наихудший вариант.
Пропускная способность МГТ существенно зависит от выбранного расчётного гидравлического режима. Поэтому, представляется, что следует более детально изучить вопрос о целесообразности и возможности принятия в нашей стране при проектировании МГТ в качестве расчетных полунапорного или напорного режимов не только на временных, но и на дорогах постоянного применения.
В соответствии с новыми Рекомендациями, утвержденными Росавтодором, нижний сегмент МГТ с углом не менее 90° должен быть защищен от абразивного истирания водным потоком бетонным или асфальтобетонным лотком. Устройство гладкого лотка по дну снижает гидравлические сопротивления, испытываемые водным потоком в МГТ при безнапорном и напорном движении. Наличие гладкого лотка приводит не только к снижению гидравлических сопротивлений, но и к уменьшению поперечного сечения трубы. При этом также меняются и входные условия, что очевидно сказывается на пропускной способности МГТ при работе в различных гидравлических режимах.
Существующие нормативные документы в нашей стране и за рубежом (в частности в США) не содержат каких-либо рекомендаций по учету влияния гладкого лотка на пропускную способность гофрированной трубы при различных гидравлических режимах. Для его оценки и изучения влияния на работу МГТ необходимо проведение специальных экспериментальных гидравлических исследований.
Многолетний зарубежный опыт строительства, эксплуатации и гидравлических исследований МГТ, а также результаты экспериментальных исследований, проводимых на кафедре гидравлики МАДИ, свидетельствуют о том, что МГТ с обычными типами входных оголовков «заряжаются» при небольших относительных напорах и устойчиво работают как при безнапорном движении водного потока в них, так и в частично-напорном и в напорном режимах. В диапазоне применяемых в России уклонов гофрированных труб (iT ≤ 0,05) смена безнапорного движения на напорное и обратно происходит плавно, без резкого изменения уровня воды перед трубой. Объясняется это тем, что после «зарядки» в МГТ формируется частично-напорный режим, при котором только начальный участок трубы работает полным сечением, а на концевом участке - безнапорное движение. Вследствие повышенных сопротивлений по длине МГТ не происходит резкого увеличения её пропускной способности, уменьшения напора Н, поступления в трубу воздуха и формирования неблагоприятного переходного режима.
Выполненные экспериментальные исследования и расчеты показывают, что при полунапорном режиме работы МГТ с гладким лотком по дну без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, при относительном напоре H/d = 1,2 имеет пропускную способность примерно в 2,2 раза выше, чем при безнапорном режиме с максимально допустимой степенью заполнения трубы на входе 0,75d. Если же в качестве расчетного режима принимаются частично-напорный или напорный гидравлический режимы, то пропускная способность МГТ возрастает еще в большей степени, а следовательно, повышается и эффективность от её применения. Кроме увеличения пропускной способности МГТ при частично-напорном и напорном режимах, возрастает и заполнение трубы на выходе и поэтому снижаются скорости в выходном сечении, что облегчает гашение избыточной кинетической энергии.
Формирующиеся в верхнем бьефе над входным оголовком вихревые воронки не оказывают заметного влияния на устойчивость напорного режима и пропускную способность трубы, поскольку вследствие повышенных сопротивлений по длине гофрированной трубы на её входном участке не формируется вакуумметрическое давление. Поэтому при попадании воздуха в трубу через вихревую воронку не формируется и переходный режим, как это происходит в гладкостенной трубе, а воздух перемещается по трубе в виде мелких пузырьков. Замещение воды воздухом приводит к некоторому снижению пропускной способности трубы, но вследствие незначительного количества воздуха, попадающего в трубу через вихревую воронку, это снижение не велико. Именно поэтому за рубежом нет никаких ограничений в выборе расчетного режима. При этом только ограничивается степень затопления входного оголовка, которая в большинстве своем принимается равной H/d = 1,5, но допускаются и относительные напоры перед трубой H/d = 3...5. Поэтому понятен и тот интерес, который проявляется в различных странах к исследованию гидравлических сопротивлений МГТ при безнапорном и напорном движении водного потока в них. He смотря на то, что история изучения гидравлических сопротивлений МГТ продолжается без малого 100 лет, она еще далека от своего завершения.