Трубы. 
Гидротехнические мелиорации

Условно трубы можно отнести к простейшим гидротехническим сооружениям, особенно в случаях, когда речь идет о пропуске через них небольших расходов воды. Область применения труб в гидротехническом строительстве очень обширна. Трубы применяются в дорожном строительстве, при пропуске воды под различными насыпями, при устройстве водосбросов, водовыпусков, водоспусков, дюкеров и других видов гидротехнических сооружений.

Примерно 80… 90% малых труб встречается в дорожном строительстве. В целом по России их число превышает 1,0… 1,5 млн. По гидравлическим показателям конструкции малые трубы можно подразделить на безнапорные водопропускные трубы (рис. 9.5, а), работающие как водослив с широким порогом; напорные (рис.

9.5, б) и полунапорные (рис. 9.5, в), работающие как насадки и короткие трубы или отверстия в тонкой стенке. Трубы могут быть как одноочковыми, так и многоочковыми.

Основной целью гидравлических расчетов малых труб является определение их отверстия; напора перед ним, т. е. отметки подпертого уровня; глубины и скорости потока на выходе для определения вида крепления в отводящем русле.

Отверстием водопропускного сооружения называется его наибольший горизонтальный размер в свету в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока воды. Для круглых труб отверстие равно их внутреннему диаметру d, для нескольких труб — сумме внутренних диаметров всех труб, для труб прямоугольного сечения — расстоянию между внутренними гранями боковых стенок.

Отверстия малых водопропускных сооружений, как известно, меньше ширины водотока. Из-за стеснения потока уровень воды в верхнем бьефе повышается. Этот уровень называется подпертым.

Глубина потока за сооружением, как правило, равна нормальной глубине /г₀, определяемой по формуле Шези с учетом бытовых морфометрических показателей водотока, поэтому ее также называют бытовой глубиной /г_б.

Безнапорные дорожные трубы работают как длинные водосливы с широким порогом, когда отношение их длины L к напору Я составляет L/Н> 15…30. Безнапорные трубы с нулевым или незначительным продольным уклоном (/о < /ц) работают, как подтопленные водосливы (в этом неравенстве /_к — критический уклон). Если уклон трубы довести до критического (/₀ = /_к) или немного превысить его, то режим подтопленного водослива будет исключен. Поэтому условие /₀ > /_к является обязательным при проектировании.

Рис. 9.5. Разделение труб по гидравлическим показателям:

а — безнапорные; б — напорные; в — полунапорные; 1—1, 2—2 — расчетные сечения; К — поверхность воды в трубе при безнапорном режиме; И_с — глубина воды в сжатом сечении; И_к — критическая глубина; И₆ — глубина в нижнем бьефе (бытовая); /₀ — уклон дна трубы; /_к — критический уклон дна трубы; /"* — длина входа в трубу (до сжатого сечения); /_exyN — длина входного участка (от начала трубы); /_сп — длина кривой спада в пределах трубы; Я — напор воды перед трубой; / — длина трубы между расчетными сечениями; /_с — длина участка от сжатого сечения до начала кривой спада; L — полная длина трубы; Л_сп — глубина воды на участке спада; 1_пол — расстояние от сжатого сечения до высшей точки подъема воды; С—С — сечение в зоне кривой спада Пропускная способность безнапорных труб зависит от наличия подтопления. У неподтопленных труб она определяется по формуле водослива с широким порогом:

где Q — расход воды, м³/с; т — коэффициент расхода; Ь — ширина отверстия, м; g— ускорение силы тяжести, равное 9,8 м/с²; Я₀ — полный напор с учетом скорости подхода, м.

Для подтопленных труб пропускная способность определяется по формуле

где о_п — коэффициент подтопления.

Для труб большого сечения в приведенных формулах под величиной b следует принимать среднюю величину, определяемую по площади и глубине соответствующего сечения. При расчете по сжатому сечению в конце входного участка b = со_С/А_С. Если использовать сечение с критической глубиной, то.

где со — площадь поперечного сечения, м²; И — соответствующая глубина, м.

Безнапорные трубы. Способ гидравлического расчета безнапорных труб зависит от их длины I, продольного уклона /₀ и бытовой глубины воды в нижнем бьефе Л₆.

Безнапорные трубы можно подразделить на короткие и длинные, неподтопленные и подтопленные.

Короткие неподтопленные т р у б ы. Ориентировочно можно считать, что при /₀ < /_к трубы будут короткими, если их длина / < 20А_Т, где й_т — глубина воды в трубе, м.

Тогда пропускная способность определяется по формуле.

а коэффициент расхода т определяется по формуле.

где от₀ — табличный коэффициент расхода; /₀ — уклон трубы; /_вх — длина входной части, м; Я₀ — полный напор с учетом скорости подхода, м.

Длинные неподтопленные трубы. Такие трубы оказывают влияние на напор перед трубой. При заданном расходе Q напор перед длинной трубой Н_т, м, приближенно (более точно — для круглых труб) можно определить по формуле.

где Я — напор перед короткой трубой, м; L, — длина длинной трубы, м.

Трубы с затопленным входом. Если глубина потока на входе в трубу А_вх превышает вертикальный размер входного отверстия, то вход окажется затопленным.

Полунапорные трубы. Полунапорные трубы работают по принципу истечения из отверстия или из-под щита. Пропускная способность определяется по формуле.

где ц — коэффициент расхода; со — площадь поперечного сечения трубы, м²; Н₀ — гидродинамический напор, м; h_c — глубина сжатого сечения, м.

Напорные трубы. Напорные трубы работают по принципу насадка. Пропускную способность напорных труб можно определить по формуле

где /₀ — уклон трубы; / — длина трубы, м; И — глубина на выходе из трубы (в сечении 2 — 2 (см. рис. 9.5, а, б)) при гидростатическом распределении давления, м.

Для неподтопленных труб, т. е. при А₆ < А_т и незатопленном пространственном гидравлическом прыжке в выходном сечении трубы, коэффициент расхода определяется по формуле.

где 4вх — коэффициент сопротивления на вход; ^_г1 — коэффициент сопротивления по длине.

Глубина в выходном сечении И из-за нарушения гидростатического закона распределения давления принимается равной h = = 0,85А_т, где й_т — глубина воды в трубе.

Коэффициенты сопротивления на вход ориентировочно можно изменять в зависимости от формы входа: для обтекаемых оголовков 4вх= 0,15; для трубы, выпущенной из откоса и воротникового оголовка, q_BX = 0,45; для портальных, раструбных, коридорных оголовков ^_вх= 0,25.

Коэффициент 4д, вычисляется по формуле.

где п — коэффициент шероховатости; /_11Х — длина входной части, м, приблизительно равная 3,6А_т (/^ — глубина воды в трубе, м); R — гидравлический радиус, равный частному от деления площади живого сечения на смоченный периметр, м.

Для бетонных труб и = 0,015, для гофрированных металлических труб при размерах гофра 32,5 к 130 мм п = 0,028.

Контрольные вопросы

• 1. Назовите основные части грунтовых плотин. Какова их роль в процессе строительства и эксплуатации?
• 2. В чем заключаются гидрологические расчеты при проектировании плотин и водоемов?
• 3. Что такое максимальные расходы и как их используют при проектировании плотинных водоемов?
• 4. Опишите внутрисуточный гидрограф стока и расскажите о методах его использования.
• 5. Для чего нужны донные водоспуски и в чем особенности их расчета и проектирования?
• 6. Как классифицируются трубы по гидравлическим признакам и каковы особенности их расчета?