Рекомендации по гидравлическому расчету труб из МГК при различных гидравлических режимах

По результатам аналитических и экспериментальных гидравлических исследований металлической гофрированной водопропускной трубы с нормальным гофром 130x32,5 мм (МГТ) с гладким лотком по дну, занимающим 1/3 внутреннего периметра трубы, и без него, входом без оголовка и срезом, перпендикулярным оси трубы, работающей по типу равнинной «короткой» водопропускной трубы, можно констатировать следующее:

1. Гофрированные водопропускные трубы плавно «заряжаются» и устойчиво работают в полунапорном, частично-напорном и напорном режимах. Пропускная способность гофрированных труб при этих режимах существенно выше. Выполненные по результатам представленных в монографии исследований расчеты показывают, что при принятии в качестве допустимого относительного напора H/dp = 1,2 увеличение пропускной способности МГТ по сравнению с гладкой бетонной трубой, запроектированной на пропуск расчетного расхода в безнапорном режиме, составит, в зависимости от типа входного оголовка, 59...83%. Если же допустить, как это делается за рубежом, работу МГТ с расчетным напором H/dp = 1,5, то увеличение пропускаемого МГТ расхода по сравнению с гладкой бетонной трубой для различных входных оголовков составит 97...141%. И это далеко не предельное увеличение пропускной способности гофрированной трубы. Поэтому изучение условий гидравлической работы водопропускных труб из гофрированного металла различной конструкции с разработкой рекомендаций по выполнению их гидравлического расчета имеет большое значение для дорожного и водохозяйственного строительства.

2. При безнапорном движении водного потока в МГТ без гладкого лотка по дну величина коэффициента шероховатости не меняется с изменением наполнения трубы. Коэффициент шероховатости при безнапорном движении сверхкритического потока (nн = 0,035) выше, чем при напорном движении (nн = 0,03).

3. Величина коэффициента гидравлического сопротивления по длине при напорном движении водного потока в МГТ с гладким лотком является функцией числа Рейнольдса. При Re ? 350000 значение коэффициента ? достигает максимальной величины, соответствующей коэффициенту шероховатости натурного гофра 130x32,5 мм nн = 0,0238. Для расчета коэффициента шероховатости при напорном движении следует использовать формулу (3.5).

4. При безнапорном движении водного потока в МГТ с гладким лотком по дну величина коэффициента шероховатости увеличивается с увеличением наполнения трубы. Достигнув максимальной величины, коэффициент шероховатости при больших наполнениях или остается неизменным, или вначале не меняется, а потом незначительно уменьшается. С увеличением уклона трубы при безнапорном движении значение коэффициента шероховатости увеличивается при всех наполнениях.

5. Величина максимального коэффициента шероховатости при безнапорном движении водного потока в натурной МГТ с гофром 130x32,5 мм и гладким лотком по дну, занимающим 33,3% внутреннего периметра трубы, может быть установлена по зависимости (3.2).
Коэффициент шероховатости при безнапорном режиме работы МГТ с гладким лотком по дну и расчетным заполнением на входе hвх/dp = 0,75 с уклонами iТ = 0,01...0,096 следует принимать равным nн = 0,019.

При работе МГТ с гладким лотком по дну в безнапорном режиме с заполнениями на входе hвх/dp = 0,9...1,0 коэффициент шероховатости в диапазоне iT = 0,01...0,096 практически одинаков и может быть принят равным nн = 0,0205.

6. В диапазоне изменения уклонов трубы iT = 0,01...0,096 критический уклон МГТ диаметром d = 1 м с гофром 130x32,5 мм и гладким лотком по дну, занимающим 1/3 внутреннего периметра трубы, работающей в безнапорном режиме с расчетным заполнением на входе hвх/dp = 0,75, равен iк = 0,009. Для МГТ любого диаметра, с такой же формой гофра и размером гладкого лотка значения iк можно определить по предлагаемым графикам, разделив установленный по графику iк на корень квадратный из диаметра трубы (?d), подставляя d в метрах.

7. МГТ с гладким лотком по дну, относительная длина которого lT/dp = 22...28, с уклонами iT = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 при безнапорном режиме работают по типу «коротких» и на их пропускную способность не влияют сопротивления по длине трубы. Увеличение уклона трубы без оголовка, со срезом, перпендикулярным оси трубы, приводит к увеличению значений коэффициента расхода m, что учитывается предлагаемой расчетной зависимостью (3.7).

8. При полунапорном режиме МГТ с гладким лотком по дну с iT/dp = 22...28 и iT = 0,01; 0,031; 0,05; 0,096 работает по типу «короткой». С увеличением iT происходит небольшое улучшение условий входа потока в трубу без оголовка, со срезом, перпендикулярным оси трубы, и её пропускная способность увеличивается. В диапазоне изменения iT = 0,01...0,031 для расчета пропускной способности по формуле (3.16) следует принимать ? = 0,62 и ?0 = 0,64. При iT ? 0,031 - ? = 0,66 и ?0 = 0,71.

9. При «зарядке» МГТ происходит смена полунапорного режима частично-напорным режимом. В диапазоне уклонов iT = 0,01...0,05 «зарядка» МГТ происходит плавно без резкого изменения напора перед трубой. При iT = 0,096 наблюдается уменьшение напора H перед трубой, однако частично-напорный режим сохраняется, т.е. «разрядка» трубы не происходит.
Параметры расхода ?, при которых происходит «зарядка» трубы без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, можно определить по предлагаемому графику зависимости ? = f(iT) (см. рис. 3.20).

10. Расчет пропускной способности МГТ при частично-напорном режиме выполняется по формулам (3.14) и (3.15). Относительная длина концевого безнапорного участка МГТ с гладким лотком по дну определяется в зависимости от ? и iT по рис 3.23.

11. Значения коэффициента ?, учитывающего распределение давления в концевом сечении участка трубы, работающего полным сечением при частично-напорном и напорном режимах, изменяется в зависимости от параметра расхода 0. Для МГТ с гладким лотком по дну в диапазоне изменения ? = 0,7...1,4 величину коэффициента ?следует определять по зависимости (3.17), а при ? ? 1,4 - принимать равным 0,5. Этими же рекомендациями можно пользоваться для гладкостенных водопропускных труб и для МГТ без гладкого лотка по дну.

12. Глубину на входе в МГТ с гладким лотком по дну, не имеющую входного оголовка, со срезом, перпендикулярным оси трубы, следует определять по зависимостям (3.21)...(3.23).
Использование этих рекомендаций позволяет увеличить эффективность использования МГТ с гладким лотком по дну, по сравнению с МГТ без гладкого лотка, за счет увеличения её пропускной способности. При уклонах трубы iT = 0,01...0,05 и пропуске расчетного расхода с заполнением её на входе hвых/dp = 0,75 увеличение составляет 16,6...20,8%.

13. При уклонах МГТ с гладким лотком по дну iT = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 глубина на выходе из неё может быть определена в долях от критической глубины (hвых/hк) по зависимостям (3.30), (3.31), (3.32) и (3.33). Если iT ? iк, то глубину на выходе можно также устанавливать в долях от нормальной глубины, принимая hвых/h0 ? 0,85. При расчете h0 следует учитывать зависимость коэффициента шероховатости n от наполнения трубы при безнапорном движении водного потока по предлагаемым в данной работе рекомендациям.



Нередко отечественные и иностранные фирмы, презентуя свою продукцию на Российском рынке, гидравлические характеристики спиральновитых гофрированных металлически труб (СМГТ) представляют в искаженном виде, опираясь на методику расчета обычных (не спиральновитых) гофрированных труб. Этого делать нельзя, так как существует большая разница в гидравлических сопротивлениях труб с различным типом гофра. По результатам экспериментальных исследований модели СМГТ со спиральным гофром размером 125x25 мм при угле спиральности 9°21' без гладкого лотка по дну и с различными типами оголовков (вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, портальная стенка и раструбный) можно дать следующие рекомендации по её гидравлическому расчёту:

1. При безнапорном движении водного потока в СМГТ без гладкого лотка при исследованных сверхкритических уклонах величина коэффициента шероховатости меняется с изменением наполнения трубы. При малых наполнениях СМГТ, составляющих 0,15h0/d, величина коэффициента шероховатости для натурной трубы равна nн ~ 0,0248. С увеличением наполнения до 0,45h0Id значение коэффициентов шероховатости исследованных моделей СМГТ увеличивается до максимальной величины (nн = 0,0267 при iT = 0,03 и nн = 0,03 при iT = 0,05) и с дальнейшим увеличением наполнения (до ~ 0,81 h0/d) не меняется. Увеличение коэффициента шероховатости на ~ 12,4% с увеличением уклона трубы с iT = 0,03 до iT = 0,05 объясняется увеличением волнообразности водного потока на свободной поверхности. Этот же фактор обуславливает изменение коэффициента шероховатости с изменением наполнения гофрированной трубы. Конструкция входного оголовка не влияет на максимальную величину коэффициента шероховатости.

2. Величина коэффициента гидравлического сопротивления по длине при напорном движении водного потока в СМГТ является функцией числа Рейнольдса. При Re ? 360000 значение коэффициента ? достигает максимальной величины. При входе без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, максимальной величине коэффициента ? соответствует коэффициент шероховатости nн ? 0,028, а при входных оголовках раструбном и портальная стенка - nн ? 0,027. Влияние конструкции входного оголовка на величину коэффициента шероховатости объясняется дополнительными сопротивлениями, которые испытывает водный поток на входном участке.

Большая деформация потока при входе без оголовка, по сравнению с раструбным и портальным оголовками, обуславливает и несколько большую величину коэффициента шероховатости.

При исследованном iT = 0,03 максимальная величина коэффициента шероховатости nн ? 0,027 при безнапорном и напорном движении водного потока практически одинаковая. Если же iT = 0,05, то максимальная величина коэффициента шероховатости при безнапорном движении nн = 0,03 превышает коэффициент шероховатости при напорном движении.

Таким образом, выполненные исследования впервые показали, что соотношение между коэффициентами шероховатости гофрированной трубы при безнапорном и напорном движении водного потока зависит от величины её уклона.

3. Установлено, что СМГТ с d = 1,2 м без входного оголовка и с оголовком портальная стенка, работающая в безнапорном режиме с расчетным заполнением на входе hвх/dp = 0,75, уклонами iT = 0,03 и iT = = 0,05 пропускает близкие расходы, соответствующие параметру расхода ? ? 0,29. При этом величина критического уклона при уклонах трубы iT = 0,03 и 0,05 соответственно составляет iк ? 0,016 и 0,019. Если же входной оголовок раструбный, то СМГТ при таких же граничных условиях пропускает близкие расходы, соответствующие ? ? 0,348, и имеет соответственно iк = 0,017 и 0,021.

Определить величину критического уклона для СМГТ другого диаметра с таким же гофром можно по предлагаемым графикам (рис. 3.15 и 3.16) в зависимости от параметра расхода ?, разделив установленный по графику iк на корень квадратный из диаметра трубы (?d), подставляя d в метрах.

4. При безнапорном режиме работы исследованная СМГТ при iT = 0,03 и 0,05 со всеми исследованными типами оголовков работает по типу «короткой» и на её пропускную способность влияет только конструкция входного оголовка. Величина коэффициента расхода m для исследованных типов входного оголовка составит соответственно: вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, портальная стенка и раструбный - 0,34; 0,345 и 0,365.

5. СМГТ при полунапорном режиме работала в экспериментах по типу «короткой». Увеличение уклона трубы в исследованном диапазоне (iT = 0,03...0,05) приводит к некоторому улучшению условий движения водного потока на входе и увеличению её пропускной способности. Однако влияние это небольшое и его можно не учитывать, что идет в запас расчета. Для исследованных типов входных оголовков следует принимать следующие коэффициенты: ? = 0,73 и ?0 = 0,65 (вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы), ? = 0,72 и ?0 = 0,67 (портальная стенка), ? = 0,7 и ?0 = 0,68 (раструбный).

6. При «зарядке» СМГТ происходит смена полунапорного режима частично-напорным режимом. При исследованных уклонах iT = 0,03 и 0,05 пропускная способность трубы после «зарядки» возрастает и величина относительного напора (H/dp) перед ней уменьшается. Для исследованных типов входных оголовка при iT = 0,03 величина H/dp снижается весьма незначительно: с 1,46...1,66 до 1,4...1,45. Если же iT = 0,05, то значение H/dp снижается несколько больше с 1,85...2,05 до 1,46...1,6. Однако формирующийся после «зарядки» СМГТ частично-напорный режим сохраняется в ней, т.е. в трубе не формируется переходный режим, как это происходит в гладких бетонных водопропускных трубах.

«Зарядка» спиральновитой гофрированной трубы происходит при меньших значениях H/dp; ?; hк/d, но несколько большем относительном наполнении hold, чем в МГТ. Значения этих параметров приведены в табл. 3.5.

7. Расчет пропускной способности СМГТ при частично-напорном режиме выполняется по тем же формулам (3.14) и (3.15), что и МГТ с гладким лотком по дну. Однако относительную длину концевого безнапорного участка СМГТ следует определять по другому графику, который приведен на рис. 3.25 в зависимости от ? и iT.

8. Экспериментально подтверждено, что СМГТ допустимо проектировать на работу в полунапорном и частично-напорном режимах при пропуске расчетного расхода. Это позволяет существенно увеличивать пропускную способность трубы: до 60...140% по сравнению с безнапорным режимом её работы с допустимой степенью заполнения на входе hвх/d = 0,75. Учитывая, что пропускная способность бетонной и гофрированной труб при безнапорном режиме близки, то изменение расчетного режима при замене разрушенной бетонной трубы после релининга на СМГТ позволяет не только не допустить снижения пропускной способности реконструированного сооружения, но напротив -даже увеличить её. Это, в свою очередь, повышает эффективность работы и безопасность всего отремонтированного водопропускного сооружения.

9. Значение коэффициента ?, учитывающего распределение давления в концевом сечении участка трубы, работающего полным сечением, при частично-напорном режиме и в конце трубы при напорном режиме, следует находить в зависимости от параметра расхода ? по зависимости (3.17), а при ? ? 1,4 принимать равным 0,5.

10. Глубину потока на входе в СМГТ, независимо от её уклона (в исследованном диапазоне iT = 0,03...0,05), следует определять в зависимости от параметра расхода 0 для входа без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, по зависимости (3.24), для портальной стенки по зависимости (3.27) и для раструбного входа по зависимости (3.29).

11. Относительную глубину потока на выходе (hвых/hк) из СМГТ можно считать независящей от типа входного оголовка и при iT = 0,03 определять по зависимости (3.37), а при iT = 0,05 - по зависимости (3.39).

Глубину на выходе из СМГТ можно определить и в долях от нормальной глубины по коэффициенту K4 = hвых/h0. Вне зависимости от типа входного оголовка K4 = hвых/h0 ? 0,78 при iT = 0,03 и K4 = hвых/h0 ? 0,82 при iT = 0,05. Отметим, что при установлении глубины на выходе из СМГТ по коэффициенту K4 следует учитывать зависимость коэффициента шероховатости от уклона трубы и её наполнения при безнапорном движении по предлагаемым в работе рекомендациям.