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_л3%

Q_л= 16,7*А_р*а_р*F*j*K_i*К_ф, м³/с (2.1)

Расчетная интенсивность осадков

А_р= а_ч*К_т , мм/мин (2.2)

ливневый район №4 ,

Где, а_ч- часовая интенсивность осадков;

К_т – коэффициент редукции часовой интенсивности осадков;

а_ч= 0,74 (по таблице 1, страница 4),

К_т= 1,60 (по таблице 2, страница 4),

По формуле 2.2 расчетную интенсивность осадков

А_р= 0,74*1,60= 1,12 мм/мин

Склоновый сток

а_р= 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

а_р= 0,65*0,85= 0,55

Коэффициент редукции максимальных расходов (таблица 4, страница 4),

j= 0,57

Коэффициент крутизны водосборного бассейна К_i, для чего рассчитываем уклон лога

I_л= (Н_втл-Н_тр)/L (2.5)

Где, Н_втл- высшая точка лога

Н_втл=172,5

Н_тр- точка сооружения

Н_тр= 167,5

L- длина лога

L= 1240 м

Рассчитываем по формуле 2.5 уклон лога

I_л= (172,5-167,5)/1240= 0,004= 4%₀

Тогда по таблице 5, страница 4 находим

К_i= 0,78

Коэффициент, учитывающий форму водосборной площади, К_ф 6

К_ф=(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 К_ф

К_ф=(0,98/1,24)Ö0,79= 0,70

По формуле 2.1 рассчитываем расход

Q_л3%= 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

Q_сн= [К_д*h_p*F/(F+1)ⁿ]*К_оз*К_л.б. (2.7)

Определяем коэффициент дружности половодья, К_д

Для чего определяем категорию рельефа:

a= i_л/i_тип (2.8)

находим типовой уклон

i_тип=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 К_д

К_д= 0,006

Определяем расчетный слой суммарного стока,h_р

h_р=К*h₀ (2.10)

где, К- модульный коэффициент

К=С_v*Ф+1 (2.11)

где, С_v- коэффициент вариации слоя стока, определяется по приложению 3, страница 3

С_v= 0,3

Ф- отклонение кривой ВП от среднего значения С_v= 1, находим по таблице 16, страница 6, для чего рассчитываем коэффициент асимметрии С_s

С_s= 3 С_v= 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 h_р

h_р= 1,73*198= 342,54

По формуле 2.7 рассчитываем расход от талых вод

Q_сн= 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

i_АС= 1/0,0178= 56

i_ВС= 1/0,0089= 112

Определяем объем дождевого стока

W= 1000*А_р*а_р*F*t_ф (2.12)

Где, t_ф- расчетная продолжительность осадков, формирующих ливень часовой продолжительности. Определяется по таблице 12, страница 5

t_ф= 30 мин

Тогда

W= 1000*1,12*0,55*0,79*30= 14599 м³

Определяем объем пруда

W_п= 220*В*h²/i₀ (2.13)

Для Q_р= 2,5ÞV_доп= 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

W_п= 220*34*0,2²/4= 75 м³

Определяем расход с учетом аккумуляции

Q_ак= Q_л[1- (W_п/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 Q_р= 2,5 м³/с.

8

3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАЛОГО МОСТА

Q_л= Q_р= 2,5 м³/с

n= 0,033 m= 0,46

Продольный уклон лога 4 %0=

= 0,004

Грунт - глины

Задаемся бытовой глубиной

h_б= m³ÖК/I (3.1)

где, m- русловой коэффициент. Он определяется по таблице 1, страница 7

m= 0,45

К- модуль расхода. Определяется по формуле

К= Q_р/Öi_л= 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

h_б= 0,46³Ö39,7/168= 0,29 м

Определяем пропускную способность живого сечения

Q= w*V (3.4)

где, w- площадь живого сечения

w= (h_б²/2)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= h_б/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 Q_р составляет меньше 5%, следовательно принимаем

Q_р= 2,5 м³/с

Строим таблицу w= ¦(h_б)

9

По исходному расходу Q= 2,5 м³/с определяем бытовую глубину h_б= 0,28 м

Делаем проверку расхождения не более 5%

Для h_б= 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

h_к= aV²/g (3.8)

где, V- скорость течения воды в потоке

V= V_доп⁵Öh_б (3.9)

где, V_доп- допускаемая скорость течения воды в зависимости от глубины потока. Находим по таблице 2, страница 7.

V_доп= 3 м/с

По формуле 3.9 определяем V

V= 3⁵Ö0,28= 2,33 м/с

По формуле 3.8 определяем h_к

h_к= 1*2,33²/2*9,81= 0,26 м

Определяем форму водослива

h_к< h_б

следовательно форма водослива – затопленная.

Определяем ширину моста В

В= Q_р/m h_бV (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= h_б+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

Н_м= 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

Н_м= 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 Q_р= 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

h_сж= 0,78h_к (4.1)

где, h_к- критическая глубина потока воды в трубе, определяется в таблице 1, страница 8 по соотношению h_к/d. Для этого надо найти соотношение Q²/gd⁵

Q²/gd⁵= 2,5²/9,81*1,5⁵= 0,28 (4.2)

Отсюда h_к/d= 0,40 , следовательно

h_к= 0,40*1,5= 0,6 м (4.3)

По формуле 4.1 определяем

h_сж= 0,78*0,6= 0,47 м

Находим соотношение

h_сж/d= 0,47/1,5= 0,31 (4.4)

Отсюда, по таблице 1, страница 8 определяем площадь сжатия потока воды в трубе

w_сж= 0,196d²= 0,196*1,5²= 0,44 м² (4.5)

Определяем величину подпора воды перед сооружением

Н= h_сж+ Q²/2gj²w_сж²= 0,47+2,5²/2*9,81*0,57²*0,44²= 5,7 м (4.6)

Находим скорость потока воды на выходе

V_вых= Q_р/w_вых (4.7)

Где, w_вых- площадь потока воды на выходе, определяется как w_вых= ¦(h_вых)

Находим критический уклон

i_к= Q²/w_к²С_к²R_к (4.8)

Проверяем условие i_л= i₀ £ i_к

Для чего определяем соотношение

h_к/d= 0,6/1,5= 0,4 (4.9)

по таблице 1, страница 8 находим:

w_к= 0,293d²= 0,293*1,5²= 0,66 м² (4.10)

R_к= 0,214d= 0,214*1,5= 0,32 м (4.11)

Определяем коэффициент Шези

С_к= 66

Тогда по формуле 4.8

i_к= 2,5²/0,66²*66²*0,32= 0,010= 10%0

0,010>0,004

следовательно условие выполняется. Тогда

h_вых= (0,8+0,85) h_к= (0,8+0,85)0,6= 0,99 м (4.12)

определяем соотношение

h_вых/d= 0,99/1,5= 0,66

по таблице 1, страница 8 определяем

w_вых= 0,540d²= 0,540*1,5²= 1,22 м²

Далее по формуле 4.7 определяем скорость на выходе

V_вых= 2,5/1,22= 2,05 м/с

Вывод:V_вых= 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 ³i_w

i_w= Q²/w_т²С_т²R_т (4.14)

где, R_т- гидравлический радиус, находится по формуле

R_т= R_т/2= ¼= 0,25 м (4.15)

По таблице 1, страница 8 находим

w_т= 0,332

С_т= 62

Отсюда по формуле 4.14 находим

i_w= 2,5²/0,332²*62²*0,25= 0,059

i₀ <i_w

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 <i_w.

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

i_w= Q²/w_т²С_т²R_т= 2,5²/0,332²*62²*0,25= 0,059>0,004

i₀ <i_w- следовательно условие соблюдается.

Определяем величину подпора воды

Н= Н_зад+L(i_w- i₀ )= 2,47+24(0,059-0,004)= 3,79 м (4.16)

Определяем скорость на выходе при Е= 0,6…0,9

V_вых= Q/Еw_т= 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; Q_р= 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 Н_н= 4,0 м;

Находим скорость течения по формуле Дарси

V= К_фÖI (5.1)

К_ф= 0,50 м/с

Где, В_низ- ширина насыпи по низу; h_б- бытовая глубина воды на выходе; Н- глубина подпора воды перед входом; i₀- естественный уклон в месте перехода (i₀>0).

Определяем ширину насыпи по низу

В_низ= В+2m Н_н+2а= 8+2*3*4+2*0,5= 33 м (5.2)

Проверяем условие устойчивости основания на неразмываемость

Н £ В_низ/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

h_б= 0,55³Ö39,7/28= 0,62 м

Находим площадь поперечного сечения

w= Q/К_фÖ[(Н_кн- h_б)/В_низ]+i_k= 2,5/0,5Ö[(3,5-0,62)/33]+0.004= 16,7 м² (5.3)

Находим высоту каменной наброски

w= m_ср*Н_кн² (5.4)

Отсюда

Н_кн=Öw/m_ср (5.5)

Где,

m_ср= I/2= 28/2= 14 (5.6)

Тогда по формуле 5.5

Н_кн= Ö15,3/6,65= 1,09 м

Находим ширину фильтрации потока

В_ф= 2 m_ср Н_кн= 2*14*1,09= 30,5 м (5.7)

Находим значение удельного расхода

g=Q/ В_ф= 2,5/30,5= 0,08 (5.8)

при g_н= (0,25…1,0), получаем, что g_н>g, следовательно принимаем g= 0,25.

Вычисляем ширину фильтрационного потока

В_ф= Q/g= 2,5/0,25= 10 м (5.9)

Снова находим высоту каменной наброски

Н_кн= 2w/ В_ф= 2*16,7/10= 3,34 м (5.10)

Уточняем коэффициент крутизны откоса каменной наброски

m_ср=w/ Н_кн²= 16,7/3,34²= 1,5 (5.11)

Назначаем крутизну откоса каменной наброски 1:3.

Определяем расчетную глубину воды при выходе из сооружения

h_р= (Н_кн+ h_б)/2= (3,34+0,62)/2= 1,98 м (5.12)

Определяем площадь фильтрационного потока на выходе из сооружения

w_ф= m_ср h_р²= 3*1,98²= 11,76 м² (5.13)

Находим среднюю скорость потока на выходе из сооружения

V_ср.р=Q/w_фрЕ= 2,5/11,76*0,46*0,9= 0,59 м/с (5.14)

Находим расчетную скорость

V_р= 1,7 V_ср.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= 87,5а_чF= 87,5*0,70*0,04= 0,3 м³/с (6.1)

Где, а_ч- часовая интенсивность ливня (таблица 1, страница 4)

а_ч= 0,70 мм

F- водосборная площадь канавы

F= 0,04 км²

По таблице 2, страница 7 определяем допустимую скорость

V_доп= 1,2 м/с

Определяем площадь живого сечения

w= Q/ V_доп= 0,3/1,2= 0,25 м² (6.2)

Определяем глубину канавы

h_к=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= R^1/6/0,019= 38 (6.7)

Находим продольный уклон

I_пр= V_доп²/ С²R= 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

а_ч= 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

V_доп= 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)

h_к= 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= 0,53^1/6/0,03= 28,9

Находим продольный уклон (формула 6.8)

I_пр= 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.