Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Городское строительство и хозяйство»

                                                                Допускаю к защите_______________

                                                              Руководитель:  _______________   

                                                                                                                             И.О. Фамилия

«Гидравлический расчет малых  водопропускных сооружений на

наименование темы

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Основы гидравлики и теплофизики
1.016.00.00.	ПЗ
наименование дисциплины

Выполнил студент группы	АДБ-10-1	___________	А.В. Котляров
	шифр	подпись	И.О. Фамилия
Нормоконтроль	___________	C. П. Епифанов
	подпись	И.О. Фамилия
Курсовая работа защищена с оценкой	_________________________

Иркутск, 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Задание

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ Вариант

По курсу: Основы гидравлики и теплофизики

Студенту

Тема курсовой работы: «Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах»

Исходные данные: 1. Ширина канавы по дну, b = 3 м; уклон дна канавы 

i =0,0002; расход воды Q= 15 м³/c; коэффициент заложения откоса канавы

m = 1,25; коэффициент шероховатости русла  n = 0,035.

2. Высота дорожной насыпи  Н_нас =2 м; ширина земляного полотна В =12 м; крутизна заложения откосов m =1,5 м; уклон трубы i_т = 0,001; максимальный расход воды Q= 9,4 м³/c, допустимая скорость воды V_доп = 4 м/c,

Рекомендуемая литература: 

1) Гидравлика. Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Методические указания к расчетно-графической работе. Т.Г. Войткова. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2004 – 19 с.;

2) Примеры гидравлических расчетов. Учебное пособие. А.И. Богомолов, Н.М. Константинов, В.А. Александров, Н.А. Петров, М: Транспорт, 1977, 526 с;

3) Гидравлика - Учебник для ВУЗов - Чугаев Р.Р. – 1982.

Дата выдачи задания                                         " 1 "           октября          2014  г.

Дата представления проекта руководителю   " 26"           декабря          2014  г.

Руководитель курсовой работы          _________________        

                                                                                                   подпись                           
                    

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………	4
1. Гидравлический расчет дорожной канавы…………………………………	5
1.1.          Нормальная глубина…………………… …………………………	6
1.2.  Ширина канала по верху...………………………………………...	7
1.3.  Средняя скорость движения воды………………………………...	8
1.4.  Критическая глубина и критический уклон ……………...……….. 1.5.  Состояние потока……………………………………………………. 1.6.  Наивыгоднейшее сечение канала………………………………… 1.7.  Пропускная способность канала…………………………………. 2. Гидравлический рас чет безнапорных труб………………………………… 2.1.  Диаметр  дорожной трубы………………………………………… 2.2.  Фактическая скорость движения воды…………………………… 2.3.  Определение длины трубы………………………………………… 2.4.  Определение напора воды перед трубой……………………….… 2.5. Определение предельного расхода и соответствующую ему                         глубину…………………………………………………………………..	8  9  9 10 11 11 12 12 12 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………	15
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	16

Введение

То, насколько качественной будет дорога и как долго она прослужит, во многом зависит от наличия и исправности водоотводных сооружений и устройств. Угол внутреннего трения грунта, сила сцепления, способность его выдерживать нагрузки при намокании значительно уменьшаются. А это в свою очередь приводит к потере эксплуатационных свойств дорожного полотна и к его последующему разрушению.

При превышении определенной скорости течения вода может размывать земляное полотно, поэтому необходимо принимать меры по предотвращению намокания грунтов и размыва земляного полотна. Эти меры заключаются в том, что, прежде всего, обеспечивают надежный сток поверхностных вод.

Цель курсовой работы – произвести гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, предложить наивыгоднейший вариант установки гидропропускных сооружений.

Задача данной курсовой работы заключается в нахождении нормальной и критической глубины и критического уклона канавы для определения состояния потока, а также научиться определять диаметр круглых дорожных труб при укладке ее с продольным уклоном, равным критическому.

1.  Гидравлический расчет дорожной канавы

Возведение дорожных канав при устройстве дорог, прежде всего, необходимо для пропуска, перехвата и отвода поверхностных (ливневых и талых) вод и выходящих на поверхность грунтовых вод.

Дорожная канава должна иметь выход в пониженное место, и вода в ней должна постоянно находиться в движении. Размеры канавы должны соответствовать количеству протекающей в ней воды, а уклон и тип крепления канавы обеспечивать отсутствие размыва и заиления.

Гидравлический расчет дорожных канав производится для установившегося равномерного движения, т.е. при постоянных гидравлических элементах потока (расхода, скорости и глубины), с определенным  постоянным уклоном на русла, который назначают соответствующим рельефу местности, степени размываемости грунта или типа укрепления русла, при этом уклон дорожных водоотводных канав должен быть не менее 0,003, на болотах, речных поймах и в других затруднительных случаях 0,002 (в исключительных случаях 0,0001).

Очертания поперечного сечения канавы может быть как с произвольным соотношением потока и ширины русла, так и с гидравлически более выгодным.

При расчете дорожных канав заданными являются расход воды Q, , определяемый методами гидрологии, продольный уклон русла i, тип грунтов местности, в зависимости от которого выбирается допускаемая не размывающая скорость течения воды , коэффициент заложения откоса – m, коэффициент шероховатости – n, относительная ширина канала по низу .

Расчетами определяется глубина наполнения h₀, критическая глубина h_кр, критический уклон дна i_кр, необходимый тип укрепления, если скорость равномерного движения в неукрепленном земляном канале превосходит допускаемую .

Задача  1

Трапецеидальный канал с крутизной откосов m и коэффициентом шероховатости стенок n, имеющий ширину по дну b, проложен с уклоном i.

Требуется определить:

1.     Глубину воды в канале при пропуске расхода Q.

2.     Ширину канала по верху (по урезу воды) B.

3.     Среднюю скорость движения воды v.

4.     Состояние потока (спокойное, бурное).

5.     Критический уклон дна i_k.

6.     Для найденного значения площади поперечного сечения найти гидравлически наивыгоднейшее сечение канала (отношение b/h, соответствующее гидравлически наивыгоднейшему сечению).

7.     Пропускную способность найденного сечения.

Дано: m=1,25; b=3м; i=0.0002; Q=15 м³/с; n=0.035.

Решение

Рис. 1

1.1. Определение  нормальной глубины

Искомую глубину воды в канале при пропуске расхода Q определим с помощью метода подбора по формуле Шези .

Задаваясь различными значениями h, вычисляем последовательно:

-   площадь живого сечения потока  ω = h· (b+m·h) ,

-   длину смоченного периметра русла  ,

-    гидравлический радиус  ,

-         коэффициент Шези, используя формулу Маннинга  ,

-         расходную характеристику,

-         расход .

Все вычисления сводим в таблицу 1.

Таблица 1

h, м	, м2	, м	R, м	С, м0,5/с	К, м3/с	Q, м3/c
1	4,25	6,2	0,685	26,825	94,35	1,3
1,5	7,31	7,8	0,937	28,26	200	2,83
2	11	9,4	1,17	29,33	349	4,93
3.5	25.81	14.2	1.82	31.57	1099.	15.54
3.6	27.0	14.52	1.86	31.68	1166.5	16.48
3.7	28.21	14.84	1.9	31.79	1236	17.47
4	32.0	15.8	2.02	32.12	1460.8	20.64

По данным таблицы 1 строим график h=f(Q)

Рис. 2

По графику, при заданном значении Q = 15 м³/c, определяем искомое значение нормальной глубины h₀ = 3,5 м.

1.2.  Определение ширины канавы по верху (по урезу воды)

Ширину канала по верху находим по формуле:

B = b + 2·m·h₀ = 3 + 2·1,25·3,5 = 11,75 м.

1.3. Определение  средней скорости движения воды

 0,58 м/с.

1.4.        Определение критической глубины и критического уклона

Состояние потока может быть определено по критической глубине .

Критическая глубина определяется подбором из уравнения критического состояния

 

где  ω_k, B_k – соответственно площадь живого сечения и ширина потока по свободной поверхности при глубине потока, равной критической,  -  коэффициент Кориолиса ().

Находим известную часть этого уравнения

 м⁵ .

Исходя из этой величины, подбирают глубины и соответствующие им расход и ширину по урезу воды. Заносят данные в таблицу 2.

B=b + 2·m·h,   ω=h·(b+m·h).

Таблица 2

Получаем приблизительно = 1,15 м.

Критический уклон определяется по формуле

 ,

где значение  берём из Таблицы 2, вычисленное для критической глубины.

Гидравлический радиус для данной площади сечения будет  

 0,573 м.

 Коэффициент Шези вычисляем по формуле Маннинга

 = =26,04 м^0.5/c.

Подставляем численные значения, получим

0,02.

1.5.  Определение состояния потока

Сравнивая полученные значения критического уклона и критической глубины со значениями нормальной глубины и уклона,

h₀ = 1,5 м >  h_k = 1,15 м

или

i = 0,001 < i_k  = 0,02,

можно сделать вывод, что поток спокойный.

1.6.  Определение наивыгоднейшего сечения канала

.

Отсюда

b=ßh=1,95h, м  

Подставим последнее полученное выражение в формулу для расчета живого сечения, получим:               

ω =h (b+mh) =h² (1,95+1,25) м².

Поскольку площадь  наивыгоднейшего сечения равна площади живого сечения при нормальной глубине (при  h₀ = 3,5 м м² см. таблицу 1), то из последнего соотношения выражаем глубину h и ширину b, соответствующего наивыгоднейшеему сечению

м,

м.

1.7.  Определение пропускной способности наивыгоднейшего сечения

Сначала вычислим смоченный периметр:

= 5,54+22,84=14.63 м.

Затем находим гидравлический радиус:

 м.

Определяем коэффициент Шези:

 м^1/2/с.

Вычисляем пропускную способность наивыгоднейшего сечения:

=25,81 31,39= 15,2 м³/с.

Ответ: h₀ = 3,5 м; B = 11,75 м; v = 0,58 м/с; h_к = 1,15 м; i_к= 0,02; состояние потока - спокойное; =15,2 м³/с.

Задача 2.

Дорожная насыпь, имеющая высоту H_нас, ширину земляного полотна B=12 м и крутизну заложения откосов m=1.5, пересекает водоток с переменным расходом, для пропуска которого в теле насыпи укладывают с уклоном i, круглую железобетонную трубу, имеющей обтекаемый оголовок.

    Требуется.

    1. Подобрать диаметр трубы для пропуска максимального расчётного расхода Q_max в напорном режиме при допустимой скорости движения воды в трубе V_доп=4 м/с и минимально допустимом расстоянии от бровки насыпи до подпорного уровня a=0.5 м.

    2. Определить фактическую скорость движения воды в трубе V_ф при пропуске максимального расхода и глубину H перед трубой, соответствующему этому расходу.

    3. Рассчитать предельные расходы и соответствующие им глубины перед трубой, при которых труба будет работать в безнапорном и полунапорном режимах.

    Дано : Q_max=9.4 м³/с ; H_нас=2 м ; i=0.001 ; B=12 м ; m=1.5 ; v_доп=4 м/с ; a=0.5 м.

    Найти : d, v_ф, Q_пн, Q_бн.

Решение.

2.1. Подберём диаметр трубы для пропуска максимального расчётного расхода Q_max в напорном режиме при допустимой скорости движения воды в трубе v_доп.

    Исходя из заданной допустимой скорости движения воды в трубе v_доп определяем площадь живого сечения потока по формуле :

                             ω= м².

    Тогда диаметр напорной трубы :

                              d= м.

    Найденный диаметр округляем до большего стандартного значения. Принимаем d=1.5 м.

 2.2.  Определим фактическую скорость движения воды в трубе, при пропуске максимального расхода и глубину H перед трубой, соответствующему этому расходу.

    Фактическую скорость движения воды находим по формуле :

                                v_ф= м/с.

2.3.  Определяем длину трубы по формуле :

                                  l=2H_насm+B=2×2×1.5+12=18 м.

Находим коэффициент расхода по формуле :

                                  μ=   ,   

где ξ_вх – коэффициент сопротивления на входе (для обтекаемых оголовков ξ_вх=0.2) ; λ – гидравлический коэффициент трения (λ=0.025).

    Тогда коэффициент расхода :

                                    μ= .   

Выражение расхода для напорных труб:

.

2.4.  Определяем напор воды перед трубой по формуле :

     H= м,

    где ω= м² – площадь сечения трубы.

    При этом должны быть выдержаны условия:

            H>1.4d  ;  H=3.46≈1.4d=2.1 м.

2.5.  Рассчитаем предельные расходы и им глубины перед трубой, при которых труба будет работать в безнапорных и полунапорных режимах.

    Полунапорный режим. Верхний предел существования полунапорного режима H_пн=1.4d=1.4×1.5=2.1 м.

    В этом случае предельный расход вычисляется по формуле:

          Q_пн=,

    где μ=0.7 – коэффициент расхода.

    Вычисления по формуле дают:

            Q_пн= м³/с.

    Безнапорный режим. Верхний предел безнапорного режима определяется условием : H=1.2d=1.2×1.5=1.8 м

    В этом случае предельный расход вычисляется по формуле:

                       Q_бн=,

    где μ=0.335 – коэффициент расхода ; b_k – средняя ширина потока в сечении с критической глубиной.

    Для определения b_k вычисляем отношение :

                          .

    Затем находим значение безразмерного параметра :

               

    Далее, по графику  

 находим соответствующее этом значению (0.69) величину:

                                      b_k/d=0.82.

    Отсюда определяем значение b_k :

                                      b_k=0.82d=0.82×1.5=1.23 м.

    Тогда предельный расход :

                                      Q_бн= м³/с.

    Ответ : 1. d=1.5 м ; v_ф=5.32 м/с , H=3.46 м ; 3. Q_пн=5.57 м³/с, H_пн=2.1 м, Q_бн=3.8 м³/с, H_бн=1.8 м.

Заключение

         В данной курсовой работе был произведен гидравлический расчет малых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, где рассчитана нормальная глубина критическая глубина  дорожной канавы и критический уклон дорожной канавы, с помощью которых при искомых критической глубине и критическом уклоне определили состояние потока как спокойное.

         Во второй задаче мы определили диаметр круглой напорной дорожной трубы, с помощью которого были рассчитаны критическая глубина потока площадь сечения, напор перед трубой и уклон.

Это позволит в дальнейшем не совершать ошибок, в ходе практических занятий, которые могут привести к разрушению дорожного полотна.

Список использованной литературы

1. Большаков В.А., Курганович А.А. Гидрологические и гидравлические расчеты малых дорожных сооружений. ‒ Киев: Вищащкола, 1983. ‒280 с.

2.  Руководство по гидравлическим расчетам малых искусственных сооружений / Под ред. Г.Я. Волченкова. ‒ М.: Транспорт, 1974. ‒  270 с.

3.  Сборник задач по гидравлике  / Под ред. Большакова. ‒ 4-е изд. ‒ Киев: Вища школа, ‒ 335 с. 

4.     Справочник по гидравлике  / Под ред. В.А. Большакова. ‒ Киев: Вища школа. 1977. ‒ 312 с. 

5. Ухин Б.В. Гидравлика: учебное пособие  – М: ИД «Форум»-ИНФРА–М. 2009. – 464 с.

6. Ухин Б.В., Гусев А.А. Гидравлика. Уч. для вузов. /– М: ИНФРА–М. 2010. – 432 с.

7. Ухин Б.В., Мельников Ю.Ф. Инженерная гидравлика.  / Учебное пособие. – М: Издательство АСВ, 2011.-344 с.