Проектирование малых водопропускных сооружений и водоотвода СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ВОДОСБОРНОЙ ПЛОЩАДИ 5 2 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 6 3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАЛОГО МОСТА 9 4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБ (БЕЗНАПОРНОЙ, ПОЛУНАПОРНОЙ, НАПОРНОЙ) 12 5 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ НАСЫПИ 15 6 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАНАВ 17 7 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 19 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ВОДОСБОРНОЙ ПЛОЩАДИ Разбиваем площадь водосборного бассейна на треугольники и рассчитываем каждый треугольник по формуле F= Öр(р-а)(р-в)(р-с) , р=а+в+с/2 (1.1) Где: F- площадь , р- полупериметр треугольника, а,в,с- стороны треугольника. F1 =Ö0,144(0,144-0,074)(0,144-0,125)(0,144-0,09)= 0,329 км2 (1.2) F2 =Ö0,135(0,135-0,09)(0,135-0,054)(0,135-0,127)= 0,206 км2 (1.3) F3 =Ö0,139*0,012*0,053*0,074= 0,255 км2 (1.4) Складываем площади и получаем общую площадь водосборного бассейна F= 0,329+0,206+0,255= 0,79 км2 (1.5) 5 2 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 2.1 Определяем расход Q л 3% Qл = 16,7*Ар *ар *F*j*Ki *Кф , м3 /с (2.1) Расчетная интенсивность осадков Ар = ач *Кт , мм/мин (2.2) ливневый район №4 , Где, ач - часовая интенсивность осадков; Кт – коэффициент редукции часовой интенсивности осадков; ач = 0,74 (по таблице 1, страница 4), Кт = 1,60 (по таблице 2, страница 4), По формуле 2.2 расчетную интенсивность осадков Ар = 0,74*1,60= 1,12 мм/мин Склоновый сток ар = а0 *d (2.3) где, а0 - коэффициент стока при полном насыщении почвы влагой (по таблице 3, страница 4); а0 = 0,65 d- коэффициент, учитывающий естественную аккумуляцию стока, d= 1-g*b*П (2.4) где, g - коэффициент проницаемости почво-грунтов (по таблице 6, страница 4), g= 0,15 b- коэффициент, учитывающий состояние почво-грунтов (таблица 7, страница 5), b= 1,0 П- поправочный коэффициент на редукцию проницаемости (таблица 10-11, страница 5), П= 1,0 По формуле 2.4 рассчитываем коэффициент d d= 1-0,15*1*1= 0,85 по формуле 2.3 рассчитываем склоновый сток ар = 0,65*0,85= 0,55 Коэффициент редукции максимальных расходов (таблица 4, страница 4), j= 0,57 Коэффициент крутизны водосборного бассейна Кi , для чего рассчитываем уклон лога Iл = (Нвтл -Нтр )/L (2.5) Где, Нвтл - высшая точка лога Нвтл =172,5 Нтр - точка сооружения Нтр = 167,5 L- длина лога L= 1240 м Рассчитываем по формуле 2.5 уклон лога Iл = (172,5-167,5)/1240= 0,004= 4%0 Тогда по таблице 5, страница 4 находим Кi = 0,78 Коэффициент, учитывающий форму водосборной площади, Кф 6 Кф =(DФ/L)ÖF (2.6) Принимаем форму водосборной площади в виде треугольника. Принимаем поправочный коэффициент DФ, для чего находим L2 /F L2 /F=1,242 /7,9=0,19 По таблице 8, страница 5 находим поправочный коэффициент DФ= 0,98 по формуле 2.6 рассчитываем коэффициент Кф Кф =(0,98/1,24)Ö0,79= 0,70 По формуле 2.1 рассчитываем расход Qл3% = 16,7*1,12*0,55*0,79*0,57*0,78*0,70= 2,5 м3 /с 2.2 Определяем расход от талых вод, Q сн Qсн = [Кд *hp *F/(F+1)n ]*Коз *Кл.б. (2.7) Определяем коэффициент дружности половодья, Кд Для чего определяем категорию рельефа: a= iл /iтип (2.8) находим типовой уклон iтип =25/ÖF+1=25/Ö0,79+1=18,66 %0 (2.9) тогда по формуле 2.8 получаем a= 4/18,66= 0,21 0,21<1, значит категория рельефа- III По таблице 14, страница 6 находим коэффициент Кд Кд = 0,006 Определяем расчетный слой суммарного стока,hр hр =К*h0 (2.10) где, К- модульный коэффициент К=Сv *Ф+1 (2.11) где, Сv - коэффициент вариации слоя стока, определяется по приложению 3, страница 3 Сv = 0,3 Ф- отклонение кривой ВП от среднего значения Сv = 1, находим по таблице 16, страница 6, для чего рассчитываем коэффициент асимметрии Сs Сs = 3 Сv = 3*0,3= 0,9 Далее Ф= 2,45 По формуле 2.11 рассчитываем модульный коэффициент К= 0,3*2,45+1= 1,73 h0 – исходная величина стока, соответствующая конкретному территориальному району. Принимается по приложению 2, страница 2. h0 = 180 мм Так как грунты глинистые, то h0 =180*1,1= 198 мм По формуле 2.10 рассчитываем hр hр = 1,73*198= 342,54 По формуле 2.7 рассчитываем расход от талых вод Qсн = 0,006*342,54*0,79/(0,79+1)0,25 = 1,62/1,16= 1,4 м3 /с 7 2.3 С учетом аккумуляции стока Вычерчиваем живое сечение Н= 168,75-165,5= 3,25 iАС = 1/0,0178= 56 iВС = 1/0,0089= 112 Рисунок 2.1 Живое сечение Определяем объем дождевого стока W= 1000*Ар *ар *F*tф (2.12) Где, tф - расчетная продолжительность осадков, формирующих ливень часовой продолжительности. Определяется по таблице 12, страница 5 tф = 30 мин Тогда W= 1000*1,12*0,55*0,79*30= 14599 м3 Определяем объем пруда Wп = 220*В*h2 /i0 (2.13) Для Qр = 2,5ÞVдоп = 0,5 м/с Отсюда находим площадь сечения пруда w= Q/V=2,5/0,5= 5 м2 (2.14) Определяем глубину пруда h= Öw*2/H= Ö5*2/168= 0,2 м (2.15) Далее, по формуле 2.13, рассчитываем объем пруда Wп = 220*34*0,22 /4= 75 м3 Определяем расход с учетом аккумуляции Qак = Qл [1- (Wп /W)0.75 ]= 2,5[1-(75/14599)0,75 ]= 2,45 м3 /с (2.16) Вывод: погрешность составляет менее 5%, аккумуляцию учитывать не надо. Следовательно принимаем Qр = 2,5 м3 /с. 8 3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАЛОГО МОСТА Рисунок 3.1 Живое сечение русла Вычерчиваем живое сечение Qл = Qр = 2,5 м3 /с n= 0,033 m= 0,46 Продольный уклон лога 4 %0= = 0,004 Грунт - глины Задаемся бытовой глубиной hб = m3 ÖК/I (3.1) где, m- русловой коэффициент. Он определяется по таблице 1, страница 7 m= 0,45 К- модуль расхода. Определяется по формуле К= Qр /Öiл = 2,5/Ö0,004= 39,7 м3 /с (3.2) I- сумма котангенсов I= m+n= 1/0,0178+1/0,0083= 56+112= 168 (3.3) Далее рассчитываем по формуле 3.1 бытовую глубину hб = 0,463 Ö39,7/168= 0,29 м Определяем пропускную способность живого сечения Q= w*V (3.4) где, w- площадь живого сечения w= (hб 2 /2)I=(0,292 /2)168= 7,06 м2 (3.5) V- скорость потока V= СÖR*i (3.6) где, С- коэффициент Шези. Определяется по рисунку 5, страница 7, для чего находим гидравлический радиус R R= hб /2= 0,29/2= 0,15 (3.7) Определяем коэффициент Шези С= 15 По формуле 3.6 определяем скорость потока V= 15Ö0,15*0,004= 0,37 м/с Далее по формуле 3.4 определяем пропускную способность Q= 7,06*0,37= 2,6 м3 /с Расхождение между Q и Qр составляет меньше 5%, следовательно принимаем Qр = 2,5 м3 /с Строим таблицу w= ¦(hб ) hб w С R Q 0,24 4,84 13 0,12 1,4 0,29 7,06 15 0,15 2,6 0,34 9,71 17 0,17 4,3 9 hб м Q м3 /с 5 4 1 0,35 0,30 0,25 0,20 Строим график по данным таблицы (рисунок 2, страница 7) По исходному расходу Q= 2,5 м3 /с определяем бытовую глубину hб = 0,28 м Делаем проверку расхождения не более 5% Для hб = 0,28 м ÞQ= 2,17 м3 /с Расхождение 5% 2,5*0,05= 0,125; 2,5-2,17= 0,33 – условие выполнено. Определяем критическую глубину hк = aV2 /g (3.8) где, V- скорость течения воды в потоке V= Vдоп 5 Öhб (3.9) где, Vдоп - допускаемая скорость течения воды в зависимости от глубины потока. Находим по таблице 2, страница 7. Vдоп = 3 м/с По формуле 3.9 определяем V V= 35 Ö0,28= 2,33 м/с По формуле 3.8 определяем hк hк = 1*2,332 /2*9,81= 0,26 м Определяем форму водослива hк < hб следовательно форма водослива – затопленная. Рисунок 3.2 Гидравлическая схема протекания воды через малое искусственное сооружение с затопленным водосливом Определяем ширину моста В В= Qр /m hб V (3.10) где, m- коэффициент сжатия потока m=0,8 % По формуле 3.10 В= 2,5/0,8*0,28*2,33= 4,8 м 10 Вычисляем величину подпора воды перед сооружением Н= hб +V2 /2gj2 = 0,28+2,332 /2*9,81*0,952 = 0,59 м (3.11) где, j- скоростной коэффициент j= 0,95 % Рисунок 3.3 Расчетные схемы железобетонного моста с вертикальными стенками устоев Определяем высоту моста Нм = Н+Г+С (3.12) где, Г- подмостовый габарит, для несудоходной реки Г= 0,25 м С- высота строительной конструкции, определяется по приложению 3, страница 7 С= 0,46 м По формуле 3.12 Нм = 0,59+0,25+0,46= 1,3 м Определяем длину моста L= В+2mH+2а+2Р (3.13) где, а- расстояние от вершины конуса до вершины моста, а= 0,15-0,5 м Р- величина зазора, не менее 10 см Тогда по формуле 3.13 L= 4,8+2*1,5*1,3+2*0,1+2*0,5= 9,2 м Вывод: Величина типового пролета больше, чем величина пролетного, следовательно скорость не уточняем. 11 4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБ 4.1 Безнапорный режим Коэффициент накопления трубы S=H/d £ 1,2 Тип оголовка – I n= 0,013 Рисунок 4.1 Безнапорный режим протекания воды в трубе Подбираем параметры трубы Если d= 1 м, то по таблице 2,страница 8, при Qр = 2,5 м3 /с, Н= 2,47 м S= 2,47/1,0= 2,47 > 1,2 Следовательно d= 1 не принимаем. Если d= 1,5 м, то Н= 1,30 м, тогда S= 1,30/1,5= 0,87 < 1,2 Следовательно условие выполнено. Назначаем диаметр d= 1,5 м. По таблице 3, страница 8 находим скорость течения потока в трубе V= 2,9 м/с Определяем высоту сжатия потока воды в трубе при входе hсж = 0,78hк (4.1) где, hк - критическая глубина потока воды в трубе, определяется в таблице 1, страница 8 по соотношению hк /d. Для этого надо найти соотношение Q2 /gd5 Q2 /gd5 = 2,52 /9,81*1,55 = 0,28 (4.2) Отсюда hк /d= 0,40 , следовательно hк = 0,40*1,5= 0,6 м (4.3) По формуле 4.1 определяем hсж = 0,78*0,6= 0,47 м Находим соотношение hсж /d= 0,47/1,5= 0,31 (4.4) Отсюда, по таблице 1, страница 8 определяем площадь сжатия потока воды в трубе wсж = 0,196d2 = 0,196*1,52 = 0,44 м2 (4.5) Определяем величину подпора воды перед сооружением Н= hсж + Q2 /2gj2 wсж 2 = 0,47+2,52 /2*9,81*0,572 *0,442 = 5,7 м (4.6) Находим скорость потока воды на выходе Vвых = Qр /wвых (4.7) Где, wвых - площадь потока воды на выходе, определяется как wвых = ¦(hвых ) Находим критический уклон iк = Q2 /wк 2 Ск 2 Rк (4.8) Проверяем условие iл = i0 £ iк Для чего определяем соотношение hк /d= 0,6/1,5= 0,4 (4.9) по таблице 1, страница 8 находим: wк = 0,293d2 = 0,293*1,52 = 0,66 м2 (4.10) Rк = 0,214d= 0,214*1,5= 0,32 м (4.11) Определяем коэффициент Шези Ск = 66 Тогда по формуле 4.8 iк = 2,52 /0,662 *662 *0,32= 0,010= 10%0 0,010>0,004 следовательно условие выполняется. Тогда hвых = (0,8+0,85) hк = (0,8+0,85)0,6= 0,99 м (4.12) определяем соотношение hвых /d= 0,99/1,5= 0,66 по таблице 1, страница 8 определяем wвых = 0,540d2 = 0,540*1,52 = 1,22 м2 Далее по формуле 4.7 определяем скорость на выходе Vвых = 2,5/1,22= 2,05 м/с Вывод: Vвых = 2,05 м/с , то по приложению 1, таблице 1, страница 9, укрепление производим одиночным мощением на мху (слой мха не менее 5 см) из булыжника размером 15 см. 4.2Полунапорный режим протекания воды в дорожных трубах Рисунок 4.2 Полунапорный режим протекания воды в дорожных трубах По таблице 2, страница 8 находим Н Н= 2,47 Отсюда S= Н/d= 2,47/1= 2,47>1,2 (4.13) Следовательно условие выполнено. Находим скорость течения (смотри предыдущие расчеты) V= 5,1 м/с Рассматриваем условие i0 ³iw iw = Q2 /wт 2 Ст 2 Rт (4.14) где, Rт - гидравлический радиус, находится по формуле Rт = Rт /2= ¼= 0,25 м (4.15) По таблице 1, страница 8 находим wт = 0,332 Ст = 62 Отсюда по формуле 4.14 находим iw = 2,52 /0,3322 *622 *0,25= 0,059 i0 <iw Вывод: Условие не выполняется, следовательно последующий расчет в данном режиме бесполезен. 13 4.3 Напорный режим Коэффициент наполнения трубы- отношение S= Н/d > 1,4 , условие i0 <iw . Задаемся ориентировочной длиной трубы 24 м, диаметр 1 м, тип оголовка I (по таблице 2). Рисунок 4.3 Напорный режим протекания воды в дорожных трубах По таблице 2, страница 8 выводим соотношение S= Н/d= 2,47/1= 2,47>1,4- условие выполнено. Находим скорость течения воды V= 2,7 м/с Определяем по формуле 4.14 iw = Q2 /wт 2 Ст 2 Rт = 2,52 /0,3322 *622 *0,25= 0,059>0,004 i0 <iw - следовательно условие соблюдается. Определяем величину подпора воды Н= Нзад +L(iw - i0 )= 2,47+24(0,059-0,004)= 3,79 м (4.16) Определяем скорость на выходе при Е = 0,6…0,9 Vвых = Q/Е wт = 2,5/0,9*0,332= 8,3 м/с (4.17) Вывод: По показателям скорости на выходе и укрепления русла трубы выбираем безнапорный режим, как более экономичный. 14 5 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ НАСЫПИ (насыпь напорная) Дано: i0 = 0,004; Qр = 2,5 м3 /с; грунт- глины; В= 8; m= 1,5; дорожный строительный материал- камень круглый Æ 40 см Рисунок 5.1 Напорная фильтрующая насыпь Принимаем высоту насыпи Нн = 4,0 м; Находим скорость течения по формуле Дарси V= Кф ÖI (5.1) Н h Где, Кф - коэффициент фильтрации, определяем по таблице 1, страница 9 в зависимости от среднего диаметра камней и их характеристики. Кф = 0,50 м/с Где, Вниз - ширина насыпи по низу; hб - бытовая глубина воды на выходе; Н- глубина подпора воды перед входом; i0 - естественный уклон в месте перехода (i0 >0). Определяем ширину насыпи по низу Вниз = В+2m Нн +2а= 8+2*3*4+2*0,5= 33 м (5.2) Проверяем условие устойчивости основания на неразмываемость Н £ Вниз /С1 = 33/3,5= 9,43 м Где, С1 - опытный коэффициент, зависящий от вида грунта. Определяется по таблице 2, страница 9. Находим бытовую глубину. Для этого определяем пьезометрический уклон (формула 3.3) I= 70/7,5+140/7,5= 28 Находим модуль расхода (формула 3.2) К= Q/Öi= 2,5/Ö0,004= 39,7 По таблице 1, страница 7 находим русловой коэффициент m= 0,55 Далее по формуле 3.1 определяем бытовую глубину hб = 0,553 Ö39,7/28= 0,62 м Находим площадь поперечного сечения w= Q/Кф Ö[(Нкн - hб )/Вниз ]+ik = 2,5/0,5Ö[(3,5-0,62)/33]+0.004= 16,7 м2 (5.3) Находим высоту каменной наброски w= mср *Нкн 2 (5.4) Отсюда Нкн =Öw/mср (5.5) Где, mср = I/2= 28/2= 14 (5.6) Тогда по формуле 5.5 Нкн = Ö15,3/6,65= 1,09 м Находим ширину фильтрации потока Вф = 2 mср Нкн = 2*14*1,09= 30,5 м (5.7) Находим значение удельного расхода g=Q/ Вф = 2,5/30,5= 0,08 (5.8) при gн = (0,25…1,0), получаем, что gн >g, следовательно принимаем g= 0,25. Вычисляем ширину фильтрационного потока Вф = Q/g= 2,5/0,25= 10 м (5.9) Снова находим высоту каменной наброски Нкн = 2w/ Вф = 2*16,7/10= 3,34 м (5.10) Уточняем коэффициент крутизны откоса каменной наброски mср =w/ Нкн 2 = 16,7/3,342 = 1,5 (5.11) Назначаем крутизну откоса каменной наброски 1:3. Определяем расчетную глубину воды при выходе из сооружения hр = (Нкн + hб )/2= (3,34+0,62)/2= 1,98 м (5.12) Определяем площадь фильтрационного потока на выходе из сооружения wф = mср hр 2 = 3*1,982 = 11,76 м2 (5.13) Находим среднюю скорость потока на выходе из сооружения Vср.р =Q/wф рЕ = 2,5/11,76*0,46*0,9= 0,59 м/с (5.14) Находим расчетную скорость Vр = 1,7 Vср.р = 1,7*0,59= 1 м/с (5.15) Вывод: По таблице 1, приложения 1, страница 9 назначаем тип укрепления приданной части грунтового основания, как одерновка плашмя (на плотном основании). 16 6 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАНАВ 6.1 Правая канава Данные: коэффициент откоса- 3; уклон местности-19%0; грунт- глины. Определяем расход Q= 87,5ач F= 87,5*0,70*0,04= 0,3 м3 /с (6.1) Где, ач - часовая интенсивность ливня (таблица 1, страница 4) ач = 0,70 мм F- водосборная площадь канавы F= 0,04 км2 По таблице 2, страница 7 определяем допустимую скорость Vдоп = 1,2 м/с Определяем площадь живого сечения w= Q/ Vдоп = 0,3/1,2= 0,25 м2 (6.2) Определяем глубину канавы hк =Öw/m= 0,25/3= 0,29 м (6.3) Определяем ширину канавы в = 2mh= 2*3*0,29= 1,74 м (6.4) Находим смоченный периметр х= 2hÖ1+m2 = 2*0,29Ö1+32 = 1,83 м (6.5) Находим гидравлический радиус и коэффициент Шези R= w/х= 0,25/1,83= 0,14 м (6.6) С= R1/6 /0,019= 38 (6.7) Находим продольный уклон Iпр = Vдоп 2 / С2 R= 1,22 /382 *0,14= 0,007 (6.8) Определяем скорость течения потока V= СÖRi= 38Ö0,14*0,007= 1,2 м/с (6.9) Вывод: По приложению 1, страница 9, тип укрепления будет одерновка в стенку. Рисунок 6.1 Канава 6.2 Левая канава Данные: коэффициент откоса- 3; уклон местности- 30 %0; грунт- глины. Находим часовую интенсивность ливня и водосборную площадь канавы ач = 0,70 мм F= 0,05 км2 Находим расход (формула 6.1) Q= 87,5*0,70*0,05= 3,1 м3 /с По таблице 2, страница 7 Vдоп = 0,85 м/с Определяем площадь живого сечения (формула 6.2) w= 3,1/0,85= 3,7 м2 Определяем глубину и ширину канавы (формулы 6.3 и 6.4) hк = Ö3,7/3= 1,11 м в = 2*3*1,11= 6,7 м Находим смоченный периметр (формула 6.5) 17 х= 2*1,11Ö32 +1= 7,02 м Определяем коэффициент Шези и гидравлический радиус (формула 6.7 и 6.6) R= 3,7/7,02= 0,53 м С= 0,531/6 /0,03= 28,9 Находим продольный уклон (формула 6.8) Iпр = 0,852 /28,92 *0,53= 0,0016 Определяем скорость течения потока (формула 6.9) V= 28,9Ö0,53*0,0016= 0,85 м/с Вывод: По приложению 1, страница 9, тип укрепления будет одерновка плашмя (на плотном основании. 18 7 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Бабков В.Ф., Андреев О.В., «Проектирование автомобильных дорог в 2-х частях» Ч.I-II учебник для вузов- Издание 2-е, переработанное и дополненное- М.: Транспорт, 1987-368 с. 2 Справочник инженера- дорожника, «Проектирование автомобильных дорог» –М.:Транспорт, 1989-415 с. 3 СниП 2.05.02-93 «Автомобильные дороги», Госстрой СССР-М.: ЦИТП, 1987-50 с. 19 ВВЕДЕНИЕ Искусственные сооружения служат для пропуска воды через дорогу. Их правильный расчет обеспечивает безопасность эксплуатации автодорог. В качестве малых искусственных сооружений служат малые мосты, трубы, фильтрующие насыпи, а также водоотводные канавы. Для их расчета используются гидрологические и гидравлические расчеты. Цель данных расчетов определение расходов (ливневый, от талых вод и др.), скорости потока воды через сооружения, определение размеров сооружений и выбор типа укреплений откосов и русел, а также строительных материалов.