Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проектирования, расчёта, строительства, эксплуатации и исследований водопропускных труб из гофрированного металла 12
1.1. Современный опыт проектирования и расчёта трубчатых водопропускных сооружений из гофрированного металла 12
1.2. Долговечность водопропускных труб из гофрированного металла, способы её оценки, рекомендации по увеличению долговечности металлических гофрированных труб 22
1.3. Гидравлические аспекты обеспечения надёжной и безопасной работы гофрированных труб с нормальной и спиральной формой гофра при обычной и повышенной абразивной устойчивости дна водопропускного сооружения .40
1.4. Методы гидравлического расчета металлических гофрированных труб при различных режимах эксплуатации .63
1.4.1. Безнапорный режим 63
1.4.2. Полунапорный режим 70
1.4.3. Напорный и частично-напорный режимы .73
1.4.4. Глубины на выходе из водопропускного сооружения 77
Выводы по главе 1 80
Глава 2. Задачи и методика проведения гидравлических экспериментальных исследований водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур .83
2.1. Задачи исследований .83
2.2. Обоснование размеров модели 84
2.3. Описание экспериментальной установки .90
2.4. Порядок проведения опытов и обработки результатов экспериментов .95
2.5. Оценка ошибок измерений и полученных результатов 101
Глава 3. Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений нормальных и спиральновитых гофрированных водопропускных труб .105
3.1. Гидравлические сопротивления в металлических гофрированных трубах с нормальной формой гофра и дополнительным защитным покрытием по дну и без него .105
3.1.1. Напорное движение в трубе с нормальным гофром 105
3.1.2. Безнапорное движение в трубе с нормальным гофром 108
3.2. Результаты исследований гидравлических сопротивлений в трубах со спиральным гофром 117
3.2.1. Напорное движение в спиральновитых трубах 117
3.2.2. Безнапорное движение в спиральновитых трубах. 121
Выводы по главе 3 129
Глава 4. Результаты гидравлических исследований моделей гофрированных труб при различных режимах работы водопропускного сооружения 133
4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований водопропускных труб с нормальной формой гофра при дополнительном защитном покрытии и без него .133
4.1.1. Безнапорный режим работы трубы с нормальным гофром 133
4.1.2. Полунапорный режим работы трубы с нормальным гофром 135
4.1.3. Напорный и частично-напорный режимы работы модели водопропускной трубы с нормальным гофром и гладким лотком по дну 146
4.1.4. Глубина на входе в трубу с нормальным гофром и гладким лотком на дне 156
4.1.5. Глубина на выходе из трубы с нормальным гофром и гладким лотком на дне 158
4.2. Результаты гидравлических исследований моделей водопропускных спиральновитых труб без защитного лотка по дну и при его установке 162
4.2.1. Безнапорный и полунапорный режимы работы спиральновитой трубы 162
4.2.2. Частично-напорный и напорный режимы работы спиральновитой трубы .169
4.2.3. Оценка глубин на входе в сооружение со спиральновитой трубой.. 172
4.2.4. Глубины на выходе из спиральновитой трубы 175
Выводы по главе 4 177
Глава 5. Рекомендации по совершенствованию методологии гидравлического расчёта при проектировании гофрированных водопропускных труб с разной формой гофра и повышенной абразивной устойчивостью донной части 182
5.1. Методология гидравлического расчёта металлических гофрированных труб 182
5.2. Принципы расчётного обоснования водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур с нормальной формой гофра 185
5.3. Принципы расчётного обоснования металлических труб со спиральновитой формой гофра 188
Выводы по главе 5 191
Заключение, выводы и рекомендации 193
Список литературы 201
- Долговечность водопропускных труб из гофрированного металла, способы её оценки, рекомендации по увеличению долговечности металлических гофрированных труб
- Безнапорное движение в трубе с нормальным гофром
- Напорный и частично-напорный режимы работы модели водопропускной трубы с нормальным гофром и гладким лотком по дну
- Принципы расчётного обоснования металлических труб со спиральновитой формой гофра
Долговечность водопропускных труб из гофрированного металла, способы её оценки, рекомендации по увеличению долговечности металлических гофрированных труб
Долговечность (срок службы) определяется как продолжительность времени, в течение которого водопропускная труба выполняет требуемые функции с заданным уровнем обслуживания, установленным на стадии строительства или ремонта [4, 6]. Водопропускные трубы из гофрированного металла с дополнительным защитным покрытием, применяемые в различных областях народнохозяйственного комплекса России, в настоящее время рассчитываются на продолжительный срок безаварийной эксплуатации, составляющий 50…80 лет [6, 9, 44, 46]. Многие отечественные производители труб из МГК (МГК «Проект», ВиаКон, Туборус, Доргеотех и др.) указывают в рекламных проспектах, что долговечность МГТ только с одним цинковым защитным покрытием толщиной 80 мкм, эксплуатирующейся в нормальных условиях, составляет не менее 50 лет. Если же на внутреннюю и внешнюю поверхность гофрированной трубы будет нанесено дополнительное полимерное защитное покрытие из высокопрочного полиэтилена высокой плотности HDPE толщиной до 250 мкм или Trench Coat (ТС2), то долговечность может даже превысить 100 лет, причём в любых условиях эксплуатации.
Это возможно только при условии защиты полимерного покрытия от абразивного разрушения водным взвесенесущим водным потоком, поскольку коррозия и истирание являются двумя основными механизмами разрушения даже для правильно спроектированных и установленных систем водопропускных труб. Коррозией называют утрату свойств материала или покрытия под воздействием химических или электрохимических процессов. Коррозия может быть либо внутри трубы (со стороны воды), либо снаружи трубы (со стороны почвы) или обеих.
Анализ опыта строительства, проектирования и эксплуатации водопропускных сооружений из МГК в России и мировой практике показывает [2, 39], что проектные сроки службы трубчатых переходов варьируются от 15 до 100 лет и зачастую назначаются на основе средней ежедневной интенсивности движения или типа проезжей части. Не существует единого мнения среди государственных, в том числе и транспортных департаментов о сроке службы таких ГТС [6]. Полагаясь на литературные данные, можно утверждать, что для зарубежных транспортных агентств важнейшими факторами, учитываемыми для полной количественной оценки срока службы материала труб (MSL), являются коррозия и истирание, а к менее значительным относят просадки и трещинообразование под воздействием напряжений, повреждения от воздействий внешней среды (в результате циклов замораживания-оттаивания, медленного роста трещин, воздействия ультрафиолетового излучения, наличие мусора разного происхождения и т.п.).
До настоящего времени в России не проводилось изучение влияния всех этих факторов на долговечность МГТ и поэтому отсутствуют рекомендации по её прогнозу [135, п. 7]. Однако обследования по оценке их состояния проводились (таблица 1.2) [2, 6, 9, 26], в том числе сотрудниками МАДИ, МГУприродообустройства и РГАУ-МСХА под руководством В.И. Алтунина [61]. Во время обследований, выполненных на 12 объектах Московского региона с диаметром труб от 1,5 м до 6 м, скоростью потока на выходе 2…3 м/с и периодом эксплуатации не более 5 лет, не было выявлено значительных дефектов водопропускных сооружений из МГК (рис. 1.9) [63]. В то же время, на ряде объектов в транзитной части труб находились значительные иловые отложения, стесняющие живое сечение трубы; нижний бьеф зарос густой травой, препятствующей нормальному движению воды и осмотру МГТ; частично деформированы оголовки МГТ из габионных элементов и завалены бытовым мусором; наблюдались просадки на гребне насыпи.
Материалы анализа выполненных обследований эксплуатируемых переездов, мостов и перепускных сооружений показывают, что неудовлетворительное или аварийное состояние имеют 40 % всех малых и средних мостов Новосибирской области [43] и около 51 % в Московской области [2]. У МГТ, построенных в период с середины 70-х годов прошлого века по проекту Ленгипротрансмоста, в неблагоприятных условиях эксплуатации до истечения 50-летнего срока происходит разрушение незащищенного нижнего сегмента трубы, как и полимерных покрытий и лотков, защищающих дно трубы. При работе в относительно благоприятных условиях в первые годы эксплуатации проблемными являются не транзитная часть сооружения, а состояние входных и выходных участков, определяющееся режимами пропуска расходов водотока и надёжной работой эксплуатирующей ГТС организации. Несмотря на то, что за период с 1991 г. по 2016 г. значительно увеличилось количество предприятий, изготавливающих и возводящих водопропускные МГТ и СГМТ, существенно расширилась номенклатура применяемого гофрированного листа и конструктивных форм поперечного сечения, систематические данные мониторинга состояния отечественных трубчатых сооружения с МГК практически отсутствуют. При оценке срока эксплуатации трубчатых сооружений из МГК в России большее внимание уделяется климату района строительства и соблюдению технологии строительства, характеристикам грунтов основания и грунтовой обоймы, категории дороги, которая определяет вероятность превышения расчётного расхода, чем критериальным условиям их работы [135, пп.11].
Изучению долговечности МГТ за рубежом в последние годы посвящено достаточно много исследований [84, 96, 106, 107]. Отличительной особенностью этих исследований является то, что наряду с мониторингом состояния МГТ, проводятся научные исследования по изучению широкого диапазона критериев, влияющих на их долговечность, и разрабатываются методики расчета долговечности. В основном долговечность труб из МКГ определяется интенсивностью коррозионного и абразивного разрушения гофрированного металла, которые зависят от многих факторов [2, 52, 84]:
- кислотности водного потока и окружающего грунта, рН;
- удельного электрического сопротивления грунта R;
- наличия и количества хлоридов и сульфатов в воде и грунте, которые повышают интенсивность коррозионного разрушения металла;
- скорости движения воды в трубе;
- уклона трубы; - степени насыщения водного потока наносами, их составом (размер, форма частиц) и характером движения (взвешенные наносы, влекомые донные наносы);
- наличия, размеров и вида защитного покрытия;
- толщины гофрированного листа и составом металла;
- климатических условий и других факторов (влажность почвы, растворенные газы, бактериальная активность, промышленные стоки и т.д.).
За окончание полезного срока службы МГТ принимается потеря прочности секции стенки: возможная эрозии почвы за счёт нарушения сплошности стенок трубы (первого сквозного отверстия в стенке трубы, либо потеря определенного процента толщины стенки), приводящие к размягчению и потере прочности грунта обоймы и дальнейших внезапных и опасных воздействий, выводящих из строя проезжую часть (рис. 1.17). Тонкостенные стальные трубы наиболее подвержены совместному воздействию истирания и коррозии.
Первые рекомендации по расчету долговечности МГТ были разработаны дорожным транспортным агентством штата Калифорния США («Caltrans») в 1959 – 1999 гг. на основе обследования более 7000 МГТ в штате Калифорния [96].
«Калифорнийский метод» оценивает долговечность МГТ как период времени от ввода её в эксплуатацию до момента появления в ней первого сквозного отверстия (перфорации), обусловленного коррозионным разрушением металла. Расчет по этому способу заключается в том, что устанавливается период времени, в течение которого происходит полное разрушение стенки металлической гофрированной трубы коррозией (рис. 1.10). Этот период определяется начальной толщиной стенки трубы, скоростью коррозии, которая зависит от рН воды и окружающего трубу грунта, а также удельного электрического сопротивления грунта R, т.е. способности противостоять коррозии. Уменьшение значений R и рН приводит к увеличению интенсивности коррозионного разрушения. В кислых почвах (рН 7) разрушается даже цинковое защитное покрытие. Поэтому в ряде штатов США (Колорадо, Луизиана и Огайо) оцинкованную гофрированную трубу в такую почву укладывают только при устройстве дополнительного защитного покрытия [96]. Однако исследования в Нью-Йорке и Северной Каролине не подтверждают корреляцию рН и сопротивления почвы R с долговечностью МГТ.
Безнапорное движение в трубе с нормальным гофром
При установке защитного лотка на дне водопропускных труб из МГК при безнапорном движении воды коэффициент шероховатости должен иметь переменное значение (см. гл.1). Это связано с изменением наполнения гофрированной трубы при безнапорном движении, поскольку при этом меняется соотношение между гофрированной и гладкой частями смоченного периметра, что и приводит к изменению коэффициента шероховатости. Хотя это и очевидно, однако до проведения настоящих исследований ни в РФ, ни за рубежом экспериментально не изучалась зависимость коэффициента шероховатости от наполнения гофрированной трубы с гладким лотком по дну - h0/dр, h0 - глубина при равномерном движении воды.
Лабораторные исследования показывают (рис. 3.3 - 3.6), что для всех моделей МГТ установка гладкого лотка по дну приводит к существенному уменьшению значения коэффициента шероховатости. При этом отчетливо прослеживается влияние наполнения на его значение. С увеличением относительного наполнения (ho/dр) от 0,1…0,2 до 0,5…0,7 происходит рост значений коэффициентов шероховатости до максимальных величин. После достижения максимума значение п либо стабилизируется и сохраняет максимальные значения с дальнейшим увеличением наполнения, либо в начале остаётся неизменным, а далее немного уменьшается (рис. 3.3б).
Следует отметить, что опытные точки для моделей с одинаковыми уклонами (/т = 0,01 и 0,031), но с различными длинами труб (Т= 414 см и 520 см) удовлетворительно согласуются и по максимальным значениям и и по характеру зависимости п от Ло/ р (рис.3.3 и 3.4).
Сопоставление экспериментальных графических зависимостей п = f (hjdр) для гофрированной трубы, работающей неполным сечением, при отсутствии и наличии гладкого лотка в ней (рис. 3.7), показывает, что максимальные значения наполнения соответствуют полунапорному режиму работы водопропускной трубы в момент предшествующий «зарядке» МГТ.
Как можно видеть, с увеличением уклона трубы уменьшается её наполнение при смене режимов. Таким образом, перед сменой полунапорного режима частично-напорным с увеличением уклона МГТ уменьшается значение её наполнения перед «зарядкой». Во всём диапазоне изменения наполнения увеличение уклона трубы iт приводит и к некоторому увеличению коэффициента шероховатости. В качестве расчетного коэффициента шероховатости при безнапорном движении водного потока в гофрированной трубе с гладким лотком по дну обычно принимается его максимальное значение n, которое также увеличивается (таблица 3.1).
Расчет по этой зависимости следует выполнять для оценки пн при безнапорном движении воды в МГТ с гладким лотком по дну на самый неблагоприятный случай, когда сопротивления максимальные. При этом на модели в водопропускной трубе при всех уклонах, кроме /т = 0,01 наблюдается полунапорный режим. При /т = 0,01 максимальные значения пм соответствуют диапазону изменения относительного наполнения ho/dр « 0,67…0,77. При ho/dр « 0,77 происходит затопление входного оголовка, смена безнапорного режима полунапорным и максимальный коэффициент шероховатости становится равным пм = 0,0158.
В процессе экспериментов выявлено, что при исследованных уклонах МГТ с лотком по дну /т = 0,031; 0,05 и 0,096 смена режимов от безнапорного к полунапорному (hвх/dр = 1,0) происходит при соответствующих наполнениях ho/dр 0,53; 0,46 и 0,4, при которых значения коэффициентов шероховатости составляют пм 0,0153; 0,0157 и 0,016. Таким образом, с достаточной долей достоверности можно считать значение коэффициента шероховатости МГТ с гладким лотком по дну в этом случае не зависящим от уклона водопропускной трубы в исследованном диапазоне (/т = 0,01…0,096) и равной пм 0,0157, что соответствует трубе с натурным гофром 130х32,5 мм пн = 0,0157х50Д6666 = 0,0205 (при принятом ае = 5). Это значение близко к значениям максимальных коэффициентов шероховатости, подсчитанным по зависимости (3.4) для уклонов МГТ/т = 0,01…0,031.
Важно отметить также, что сопоставление значений максимального коэффициента шероховатости при безнапорном движении водного потока в МГТ, рассчитанного по зависимости (3.4), с коэффициентом шероховатости при напорном движении (ин = 0,0238), показывает, что только при /т = 0,096 они близки - при расчете по зависимости (3.4) пн = 0,0233. При меньших же уклонах МГТ значения коэффициента шероховатости при безнапорном движении оказываются ниже, чем при напорном.
В настоящее время гофрированные водопропускные трубы в нашей стране проектируются на пропуск в безнапорном режиме расчетного расхода с максимально допустимой степенью заполнения трубы на входе hвх/dр = 0,75, а наибольшего расхода - с hjdр = 0,9 [1, 2, 20]. Проведенные экспериментальные исследования (вопрос о глубинах на входе будет рассмотрен ниже) позволили выявить наполнения ho/dр, при которых происходит смена режимов, и значения коэффициента шероховатости пм в МГТ с лотком по дну при этом (таблица 3.2). Таким образом, в исследованном диапазоне изменения уклонов (iт = 0,01…0,096) коэффициенты шероховатости при безнапорном режиме работы гофрированной трубы с гладким лотком по дну и заполнениями трубы на входе hвх/dр = 0,75 и 0,9, осредняя, с небольшой долей погрешности можно принять одинаковыми, равными соответственно nм = 0, 0146 и 0,0155. Пересчитав их на натурный размер гофра получим nн = 0,0146х50,16666 = 0,019 и nн = 0,0155х50,16666 = 0,0203. Как видим, при hвх/dр = 0,75, 0,9 и 1,0 значения коэффициентов шероховатости практически одинаковые (nн = 0,019, 0,0203 и 0,0205). Однако значение nн, полученное по результатам экспериментов, намного меньше, чем рекомендуемое в нормативной литературе nн = 0,025 [46].
Полученные экспериментальные данные качественно совпадают с результатами исследований, выполненных в Бонневильской лаборатории штата Огайо США в 50-х годах ХХ века M.J.Webster и L.R.Metcalf [105]. При исследовании МГТ с dвн = 1,525 м, гофром 68х13 мм и гладким лотком по дну, занимающим 25% внутреннего периметра трубы, они установили увеличение значений коэффициента шероховатости с увеличением наполнения гофрированной трубы с гладким лотком по дну. При росте наполнения трубы до 0,75d коэффициент шероховатости увеличивался до максимального значения и с дальнейшим увеличением наполнения трубы не менялся (в экспериментах максимальные наполнения составляли 0,96d). Коэффициент шероховатости при напорном движении и максимальный коэффициент шероховатости при безнапорном движении в этих исследованиях оказались одинаковыми.
В исследованиях, выполненных в лаборатории МАДИ, такое совпадение наблюдается только при наибольшем из исследованных уклонов трубы (iт = 0,096). При iт 0,096 значение максимального коэффициента шероховатости при безнапорном движении водного потока оказалось меньше, чем при напорном движении.
Сопоставительный анализ показал, что значения наполнения МГТ, при которых коэффициент шероховатости достигает максимальных значений, в исследованиях М. Вебстера труб с iт = 0,005 [105] и в выполненных в МАДИ исследованиях трубы с iт = 0,01, имеют лишь небольшое расхождение (соответственно 0,75d и примерно 0,7d). Это может быть связано с бо льшим уклоном МГТ, исследованной в МАДИ. Объяснение совпадения результатов лишь по качественному сопоставлению, а не по количественным показателям можно так же объяснить и различием площади, занимаемой гладким лотком в трубе (25 % в [100, 105] и 33,3 % в наших исследованиях).
Следует обратить внимание на то, что связь между изменением уклона МГТ /т с гладким лотком по дну и значения п, выявленная в результате данных исследований на установке МАДИ, совпадает с результатами экспериментальных исследований Э.В. Залуцкого, Ю.М. Константинова и А.И. Петрухно [20, 21, 29]. Исследуя сопротивления витых дренажных труб с искусственной повышенной шероховатостью, они установили, что при уклонах труб, превышающих критический уклон (трубы имели уклоны /т = 0,031; 0,04 и 0,045), происходит уменьшение значения коэффициента Шези, т.е. увеличение значений коэффициента Л. При уклонах /т /к такого влияния авторы не обнаружили. Увеличение сопротивлений с увеличением уклона при бурном состоянии потока авторы объясняют дополнительными потерями энергии на волнообразование.
Функциональные зависимости критического уклона /к от значения параметра расхода в, приведённые на рисунке 3.8, полученные для моделируемой натурной трубы диаметром d = 1м с гладким лотком по дну, позволяют определить /к для МГТ другого диаметра с такой же формой гофра. Для этого необходимо найденное в зависимости от в по графику значение /к разделить на yfd, подставляя диаметр МГТ (d) в метрах [42].
Напорный и частично-напорный режимы работы модели водопропускной трубы с нормальным гофром и гладким лотком по дну
МГТ с гладким лотком по дну со стандартным входом без оголовка самопроизвольно «заряжается» и устойчиво работает в частично-напорном и напорном режимах. При этом в верхнем бьефе перед МГТ формируется вихревая воронка. Обычно существует одна, периодически пропадающая воронка, располагающаяся не по оси трубы, а слева от неё по направлению движения потока. От воронки по вихревому шнуру в нижнюю часть трубы, т.е. в район расположения гладкого лотка, поступает воздух. При этом в трубе не формируется гидравлический прыжок, а воздух в виде пузырьков, поднимающихся постепенно к своду трубы, перемещается током воды. Воздух приводит к незначительному увеличению длины концевого безнапорного участка lк при частично-напорном режиме.
Пьезометрическая линия при частично-напорном режиме на начальном участке трубы, работающем полным сечением, располагается ниже шелыги, но выше дна трубы. Это свидетельствует о формировании у свода трубы вакуумметрического давления. Попадающий в трубу через вихревую воронку воздух изменяет (уменьшает) вакуумметрическое давление в трубе и за счет этого частично уменьшает пропускную способность трубы. Однако увеличение напора Н перед трубой при попадании в неё воздуха незначительно из-за его малого количества, поступающего в нижнюю треть трубы с избыточным манометрическим давлением, и небольшого значения формирующегося при этом вакуумметрического давления на начальном участке трубы. Установка плотика над входным оголовком в этом случае не приводит к устранению вихревой воронки, которая формируется под плотиком у его края. Поэтому при проведении экспериментов никакие специальные конструкции, ослабляющие негативное воздействие вихревых воронок, не устанавливались.
Формирующиеся в верхнем бьефе над входным оголовком воронки не влияют ни на устойчивость напорного режима, ни на пропускную способность трубы. В результате при уклонах трубы /т = 0,01 и 0,031 заметного изменения пропускной способности трубы и напора Н перед МГТ при поддержании постоянного значения расхода Q не наблюдается.
Эксперименты показали, что при уклонах модели /т = 0,01; 0,031 и 0,05 «зарядка» происходит соответственно при H/d 1,23; взар 0,565; H/d 1,796; взар 0,833 и H/d 2,145; взар 0,953 [62]. После начала работы модели МГТ в частично-напорном режиме (рис. 2в) её пропускная способность увеличивается, что приводит к уменьшению относительного напора в верхнем бьефе при постоянном значении подаваемого расхода. При /т = 0,01 снижения практически нет, а при /т = 0,031 оно настолько мало (до H/d 1,7), что практически незаметно (см. рис. 4.5б, 4.6 и 4.7а). Если же /т = 0,05 (по существующим рекомендациям [49] /т = 0,05 принимается максимально допустимым для дорожных МГТ), то относительный напор снижается заметнее (см. рис. 4.7б и 4.11), но затопление входного оголовка остается существенным (H/d 1,76) и поэтому «разрядки» модели МГТ не происходит.
Ни в одном из проведенных опытов даже при максимальном /т = 0,096 в МГТ после «зарядки» не формируется неблагоприятная форма переходного режима, при которой в трубу при небольшом затоплении входного оголовка поступал бы воздух. В зависимости от конструкции входного оголовка по трубе при этом движутся водяные пробки и воздушные пузыри (slugs) или в трубе формируется гидравлический прыжок, изменяющий свое положение в зависимости от значения пропускаемого расхода. В таком режиме работают гладкостенные водопропускные трубы с самозаряжающимися входными оголовками, например, типа «капюшон» (hood inlet) [99]. В России именно из-за возможности формирования такого неблагоприятного переходного частично-напорного режима работа водопропускных труб на транспортных магистралях в полунапорном и напорном режимах не допускается.
Уменьшение значения подаваемого расхода после «зарядки» МГТ приводит к увеличению длины концевого участка трубы /к, работающего неполным сечением (рис. 4.12). «Разрядка» моделей с уклонами /т = 0,031 и /т = 0,05 наступает при практически одинаковом параметре расхода в 0,82, но относительные напоры при этом заметно различаются: H/d 1,6 при /т = 0,031 и H/d 1,35 при /т = 0,05.
Для каждой из исследованных моделей с увеличением параметра расхода в характер уменьшения относительной длины Шр концевого безнапорного участка однотипный (рис. 4.13). Увеличение расхода после «зарядки» приводит к уменьшению длины концевого безнапорного участка /к и смене частично-напорного режима напорным режимом при в 1,33. В диапазоне изменения параметра расхода от в 0,82 до взар 0,833 при /т = 0,031 и до взар 0,95 при /т = 0,05 МГТ может работать как в полунапорном, так и в частично-напорном режиме, в зависимости от предшествующих условий работы МГТ (значение 9зар для других уклонов МГТ можно установить по рекомендациям, приведенным в работе [10]). При /т 0,031 практически не происходит изменения пропускной способности МГТ при её «зарядке» или «разрядке».
В диапазоне изменения 6= 0,9… 1,3 длина /к незначительная, её значение не превышает расчетного диаметра трубы. При расчете пропускной способности МГТ с гладким лотком по дну по формулам (1.7) и (1.8) при частично-напорном режиме в качестве расчетной следует принимать полную длину трубы за вычетом длины концевого безнапорного участка, определяя /к по рисунку 4.13. Полученный график IJdр = f{9) для исследованной модели МГТ с гладким лотком по дну имеет такой же вид, что и график, рекомендуемый ЦНИИС (см. рис. 1.30) для МГТ без гладкого лотка. Однако, при наличии гладкого лотка длина концевого безнапорного участка больше, особенно при в 1,0. для исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну: 1, 2, 3, 4 - МГТ без входного оголовка соответственно при уклонах iт = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096; 5 МГТ с входным оголовком - «портальная стенка» при iт = 0,05
Изменение значения l /dр происходит по кривой, на которой можно выделить граничное значение параметра расхода ftгр, до которого значения l /dp резко уменьшаются примерно до l /dp 1,3, а после его достижения происходит плавное снижение значений lK/dp практически до нулевого. При этом малые значения в соответствуют начальной фазе частично-напорного режима, а напорный режим у всех исследованных моделей наступает при практически одинаковом параметре расхода внап 1,3. Интересно, что на длину концевого безнапорного участка не влияет тип входного оголовка. Полученные экспериментальные значения вгр = 0,8; 0,85; 0,9; 1,12 соответственно при iт = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 приведены на рисунке 4.14. Для расчёта МГТ, укладываемых с уклоном iт 0,05, значение ftгр можно найти и по формуле
Если «зарядка» МГТ наступает при зар гр (где зар – параметр расхода, при котором происходит «зарядка» МГТ), то водопропускное сооружение из МГК работает с достаточно большой длиной концевого безнапорного участка. Значение lк при этом зависит не только от параметра расхода и уклона трубы, но и от типа входного оголовка. Исследования МГТ с входами без оголовка и с портальной стенкой при iт = 0,05 показали, что уменьшение параметра расхода после «зарядки» приводит последовательно к увеличению длины концевого безнапорного участка, «разрядке» трубы и формированию полунапорного режима.
Выполненные ранее в МАДИ под руководством В.И. Алтунина эксперименты позволили установить параметры расхода зар, при которых происходит «зарядка» МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну в зависимости от её уклона [5, 6]. Для уклонов iт = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 их значения соответственно равны: зар 0,542…0,565; 0,815…0,833; 0,953 и 0,988.
Принципы расчётного обоснования металлических труб со спиральновитой формой гофра
При проектировании и гидравлическом расчёте водопропускных сооружений из инновационных спиральновитых гофрированных металлических труб (СГМТ) надо обязательно учитывать разнообразие видов гофра и угла спиральности, поскольку разница в результатах расчёта может быть значительной, особенно по сравнению с МГТ [1]. Учитывая, что на водотоках большинство СГМТ в РФ имеют диаметр от 1 м до 3,6 м и выполняются в основном с гофром 125х25 мм при угле спиральности 9021 , то параметры потока в транзитной части сооружения (с гладким лотком по дну, при его отсутствии) и на его концевых участках с различными типами оголовков (вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, портальная стенка, раструбный) можно выполнить по разработанному алгоритму (рис. 5.1) с учётом следующих рекомендаций:
1. При любых конструктивных решениях оголовков и безнапорном движении воды в СГМТ без гладкого лотка при наполнениях менее 0,15h /d, значение коэффициента шероховатости для натурной трубы равно пн 0,0248. При росте наполнения до 0,45h(/d в соответствии с имеющимся уклоном трубы /т и конструктивным оформлением оголовка значения пн могут увеличиться до максимального пн = 0,0267 при /т = 0,03 и до пн = 0,03 при /т = 0,05, т.е. примерно на 12,5 %. Для СМГТ без входного оголовка и разном исполнении дна трубы значение п может быть найдено по графической зависимости (рис. 3.14).
2. При нахождении коэффициента шероховатости пн в СГМТ, работающей в напорном режиме, следует учитывать как /т, так и модификацию оголовка. Значение коэффициента пн при входе без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, при максимальном значении коэффициента гидравлического сопротивления Л составляет пн 0,028, а при входных оголовках - раструбном и портальная стенка - пн 0,027.
Следует учитывать, что при /т = 0,03 максимальное значение коэффициента шероховатости для всех исследованных режимов практически одинаково пн 0,027, но при /т = 0,05 максимальное значение коэффициента шероховатости при безнапорном движении воды ин следует принимать на 11 % больше, чем при напорном (ин = 0,03).
3. СГМТ с d = 1,2 м без входного оголовка и с оголовком - портальная стенка, работающая в безнапорном режиме с расчетным заполнением на входе hвх /dр = 0,75, независимо от уклона /т пропускает близкие расходы, соответствующие параметру расхода в 0,29. При этом значение критического уклона /к изменяется в пределах от 0,016 до 0,019, а при раструбном оголовке можно принимать соответственно в 0,348 и /к 0,017… 0,021. Для СГМТ другого диаметра с таким же гофром значение /к можно найти по предлагаемым графикам (рис. 3.11) в зависимости от параметра расхода в, разделив установленное по графику значение /к на корень квадратный из диаметра трубы (Vd), подставляя d в метрах. При установке гладкого лотка критический уклон СГМТ /к находят по экспериментальным графикам в зависимости от параметра расхода 9(рис. 3.15).
4. Значение коэффициента расхода т СГМТ, работающей в безнапорном режиме, можно принять в зависимости от типа оголовка (для входа без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, портальная стенка и раструбный) без лотка на дне соответственно - 0,34; 0,345 и 0,365, а при установке гладкого лотка по дну на 10% больше.
5. При расчёте СГМТ на работу в полунапорном режиме при уклоне трубы менее 0,1 следует принимать коэффициенты: є= 0,73 идо = 0,65 (вход без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы), є= 0,72 и juo = 0,67 (портальная стенка), є = 0,7 и jUo = 0,68 (раструбный).
6. Для нахождения параметров потока при «зарядке» СГМТ и смене полунапорного режима частично-напорным, которая происходит при меньших значениях H/dр; в; hjd, но несколько большем относительном наполнении h(/d, чем в МГТ, значения их можно определить по таблице 4.2.
7. При допуске работы СМГТ в полунапорном режиме с увеличенным относительным напором (до H/d = 1,5), может произойти существенное увеличение пропускной способности трубы по сравнению с безнапорным режимом. Например, для раструбного оголовка, портальной стенки и входа без оголовка, со срезом перпендикулярным оси трубы, пропускаемые СМГТ параметры расхода соответственно равны в 0,68; 0,67; 0,63 (0,7) и увеличение составляет 97 %, 131 % и 117(141) %.
8. Расчет пропускной способности СГМТ при частично-напорном режиме выполняется по тем же формулам (1.7) и (1.8), что и МГТ с гладким лотком по дну. Относительную длину концевого безнапорного участка СГМТ следует определять при этом по графику на рисунке 4.25 в зависимости от в и /т.
9. При проектировании СГМТ для работы в полунапорном и частично-напорном режимах значение коэффициента г/ следует находить в зависимости от параметра расхода впо зависимости (4.3), а при в 1,4 принимать равным 0,5.
10. Глубина потока на входе в СГМТ определяется в зависимости от типа входного оголовка и параметра расхода в по формулам: для входа без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы - (4.14), для портальной стенки - (4.18), для раструбного входа - (4.19). При этом уклон трубы не учитывается.
11. Глубина воды на выходе СГМТ (heblx/hK) определяется в зависимости от уклона трубы, соответственно при /т = 0,03 по формуле (4.22), при /т = 0,05 -(4.24), а конструкцию оголовка при этом можно не учитывать. По аналогии с МГТ /w из СГМТ можно определить и в долях от нормальной глубины по коэффициенту К4 = /W/го (К4 0,78 при іт = 0,03 и К4 0,82 при /т = 0,05).
Для установления относительных глубин на выходе hвых/d из СГМТ без входного оголовка со срезом перпендикулярным оси трубы с защитным бетонным лотком по дну при безнапорном режиме работы с нормативно-максимально допустимой степенью заполнения трубы на входе (hвх/d = 0,75) следует использовать экспериментальные данные, приведенные в таблицах 4.11 – 4.13.