Безнапорный режим в гофрированных трубах

При безнапорном режиме как гладкая, так и гофрированная водопропускная труба работает по типу водослива с широким порогом и для расчета её пропускной способности в отечественной гидравлике используется формула

где ?П - коэффициент подтопления, равный 1,0 для «короткой» неподтопленной с нижнего бьефа трубы; m - коэффициент расхода, назначаемый по справочникам в зависимости от конструкции входного оголовка и учитывающий несовершенство планового сжатия потока перед трубой; bK - средняя ширина потока в сечении с критической глубиной, равная bK = ?K/hK, где ?K - площадь живого сечения трубы при hK; H - гидростатический напор, измеряемый относительно дна входного сечения трубы. Величину bK можно определить в зависимости от критической глубины при известном диаметре трубы по табл. 3.3, используя расчётные программы, разработанные в формате Excel или по графикам в зависимости от параметра расхода ?.
Вход в гофрированные трубы часто устраивается без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы или параллельным откосу (см. рис. 3.5а). Для улучшения условий входа в трубу используются портальная стенка и раструбный оголовок (см. рис. 3.5б и 3.5в). По рекомендации ЦНИИС при расчётах МГТ без оголовка с любым видом среза при отсутствии гладкого лотка по дну рекомендуется принимать одинаковый коэффициент расхода m = 0,33, а при раструбном оголовке и портальной стенке - m = 0,365 и 0,355 соответственно.
Величину коэффициента расхода МГТ без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, имеющей гладкий лоток по дну, который занимает треть внутреннего периметра, можно рассчитать по зависимости

Эта зависимость получена в результате экспериментальных исследований модели МГТ с гладким лотком по дну, выполненных в МАДИ (рис. 3.17), и справедлива для диапазона исследованных уклонов iT = 0,01...0,096.
Проведенные экспериментальные исследования СМГТ с гофром размером 125x25 мм показали, что изменение уклона в исследованном диапазоне iT = 0,01...0,05 не оказало заметного влияния на величину коэффициента расхода. При всех уклонах СМГТ работала по типу «короткой» и на её пропускную способность не влияли изменения сопротивления по длине трубы. При iT = 0,01, который был меньше критического уклона iK, в трубе формировался гидравлический прыжок, но он занимал отогнанное или надвинутое положение во всем диапазоне изменения расходов, что и определило работу СМГТ по типу «короткой». На величину коэффициента расхода влияла только конструкция входного оголовка. Для исследованных входов (без оголовка, раструбного и портального) получены соответствующие значения коэффициентов расхода: m = 0,34; 0,365 и 0,345.

Таким образом, значения коэффициентов расхода СМГТ для исследованных условий входа при безнапорном режиме практически совпадают с рекомендациями ЦНИИС для МГТ с нормальным гофром для тех же условий входа. В действительности величина коэффициента расхода безоголовочной трубы со срезом, перпендикулярным оси трубы, полученная в ЦНИИС, равна m = 0,34. Принятие в качестве расчетной меньшей величины, вероятно, сделано с целью получения одинакового коэффициента расхода при безоголовочном входе при любой форме среза.

Устройство гладкого лотка по дну МГТ приводит к заметному увеличению коэффициента расхода трубы без оголовка (примерно на 10%), что следует учитывать при выполнении гидравлического расчета.
При iT ? iK МГТ работает в безнапорном режиме по типу «короткой». Пропускная способность трубы максимальная, поскольку сопротивления по длине трубы её не снижают. Коэффициент подтопления ?П при этом равен 1,0.
Величину критического уклона iK МГТ с гладким лотком по дну и СМГТ можно устанавливать по вышеприведенным рекомендациям настоящего параграфа. Определить по рис. 3.8; 3.15 и 3.16 критические уклоны iK можно только для исследованных МГТ с d = 1 м и нормальным гофром размером 130x32,5 мм, гладким лотком по дну, а для СМГТ с d = 1,2 м со спиральным гофром размером 125x25 мм.
Чтобы найти iK для круглых труб другого диаметра d и с иными коэффициентами шероховатости ЦНИИС предлагает воспользоваться формулой

где iK(граф) - критический уклон, устанавливаемый по рис. 3.4; 3.11 и 3.12 в зависимости от параметра расхода ? для трубы диаметром dграф = 1,0 м и 1,2 м с коэффициентом шероховатости n; nграф - фактический коэффициент шероховатости гофрированной трубы при безнапорном движении; d - диаметр трубы.
Выполненные расчеты показали справедливость такого подхода. Критический уклон можно рассчитать и по формуле Шези, определяя коэффициент Шези по формуле Маннинга

где RК - гидравлический радиус при критической глубине hК; n - коэффициент шероховатости.
Критическая глубина hK определяется из условия критического состояния потока из выражения

где ?К и BК - соответственно площадь живого сечения и ширина потока по свободной поверхности при hК.
При нахождении критического уклона МГТ по формулам (3.8) и (3.9) следует учитывать зависимость коэффициента шероховатости от наполнения трубы.