Совершенствование методов расчёта и проектирования водопропускных сооружений из гофрированного металла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат наук Бурлаченко Алёна Владимировна

• Бурлаченко Алёна Владимировна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Бурлаченко Алёна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАСЧЁТА, СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ ИЗ ГОФРИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

1.1. Современный опыт проектирования и расчёта трубчатых водопропускных сооружений из гофрированного металла

1.2. Долговечность водопропускных труб из гофрированного металла, способы её оценки, рекомендации по увеличению долговечности металлических гофрированных труб

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

1.4. Методы гидравлического расчета металлических гофрированных труб при различных режимах эксплуатации

1.4.1. Безнапорный режим

1.4.2. Полунапорный режим

1.4.3. Напорный и частично-напорный режимы

1.4.4. Глубины на выходе из водопропускного сооружения

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ СТРУКТУР

2.1. Задачи исследований

2.2. Обоснование размеров модели

2.3. Описание экспериментальной установки

2.4. Порядок проведения опытов и обработки результатов экспериментов

2.5. Оценка ошибок измерений и полученных результатов

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НОРМАЛЬНЫХ И СПИРАЛЬНОВИТЫХ ГОФРИРОВАННЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

3.1. Гидравлические сопротивления в металлических гофрированных трубах с нормальной формой гофра и дополнительным защитным покрытием по дну и без него

3.1.1. Напорное движение в трубе с нормальным гофром

3.1.2. Безнапорное движение в трубе с нормальным гофром

3.2. Результаты исследований гидравлических сопротивлений в трубах со спиральным гофром

3.2.1. Напорное движение в спиральновитых трубах

3.2.2. Безнапорное движение в спиральновитых трубах

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОДЕЛЕЙ ГОФРИРОВАННЫХ ТРУБ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ВОДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ

4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований водопропускных труб с нормальной формой гофра при дополнительном защитном покрытии и без него

4.1.1. Безнапорный режим работы трубы с нормальным гофром

4.1.2. Полунапорный режим работы трубы с нормальным гофром

4.1.3. Напорный и частично-напорный режимы работы модели водопропускной трубы с нормальным гофром и гладким лотком по дну

4.1.4. Глубина на входе в трубу с нормальным гофром и гладким лотком на дне

4.1.5. Глубина на выходе из трубы с нормальным гофром и гладким лотком на дне

4.2. Результаты гидравлических исследований моделей водопропускных спиральновитых труб без защитного лотка по дну и при его установке

4.2.1. Безнапорный и полунапорный режимы работы спиральновитой трубы

4.2.2. Частично-напорный и напорный режимы работы спиральновитой трубы

4.2.3. Оценка глубин на входе в сооружение со спиральновитой трубой

4.2.4. Глубины на выходе из спиральновитой трубы

Выводы по главе

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ МЕТОДОЛОГИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОФРИРОВАННЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ С РАЗНОЙ ФОРМОЙ ГОФРА И ПОВЫШЕННОЙ АБРАЗИВНОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ ДОННОЙ ЧАСТИ

5.1. Методология гидравлического расчёта металлических гофрированных труб

5.2. Принципы расчётного обоснования водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур с нормальной формой гофра

5.3. Принципы расчётного обоснования металлических труб со спиральновитой формой гофра

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов расчёта и проектирования водопропускных сооружений из гофрированного металла»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в различных областях народного хозяйства в качестве водопропускных, наряду с гладкостенными бетонными трубами, используются трубы из металлических гофрированных конструктивных элементов (МГК) с нормальной (МГТ) и спиральной (СГМТ) формами гофра. Применение МГТ в качестве водопропускных было начато в России в 1875 году. Чуть позже, примерно с 1890 г., трубы из МГК начали укладывать и в США. СГМТ стали возводить в России лишь с 2008 г. и назвали их спиральновитыми металлическими гофрированными трубами (СВМГТ). Металлические гофрированные водопропускные трубы по сравнению с гладкостенными бетонными имеют значительные преимущества, как за счёт повышенной экономичности, так и тем, что они являются альтернативой малым и средним мостам, нередко заменяя мосты и разрушенные бетонные трубы при капитальном ремонте. При проектировании таких труб в качестве водопропускных обязательно прорабатывается конструктивное решение и выполняется оценка долговечности. Если долговечность недостаточная, то вносятся изменения в первоначальное конструктивное решение и вновь оценивается долговечность. Если срок вновь установленной долговечности оказывается приемлемым (не менее 50 лет), то выполняется гидравлический расчет, в результате которого устанавливаются размеры сооружения, условия движения воды в нем, напор в верхнем бьефе, глубины и скорости в самой трубе, а также на входе и выходе из неё и др. параметры.

Степень её разработанности. В настоящее время в РФ сложилось такое положение, при котором выполнить расчет долговечности водопропускных сооружений с СГМТ и их гидравлический расчет корректно нельзя. Например, для дорожных водопропускных трубчатых сооружений существует единственный ведомственный нормативный документ ОДМ 218.2.001 - 2009, имеющий рекомендательный характер и введенный Федеральным дорожным агентством в действие распоряжением № 252-р от 21 июля 2009 г. [46]. В нем нет никаких рекомендаций ни по расчету долговечности любых гофрированных труб, ни по

гидравлическому расчету СГМТ. В ОДМ приводятся лишь рекомендации по гидравлическому расчету МГТ, не имеющих дополнительного защитного покрытия, только при безнапорном режиме их работы. Причем эти рекомендации основаны на экспериментальных исследованиях модели МГТ с нормальным гофром, только размером 130х32,5 мм. Использовать эти рекомендации для выполнения гидравлического расчета МГТ с другими размерами гофра и СГМТ нельзя, поскольку и размер гофра и его спиральность влияют на гидравлические сопротивления, оказываемые водному потоку.

За рубежом существуют рекомендации, как по расчету долговечности гофрированных труб, так и по гидравлическому расчету МГТ и СГМТ. Поэтому необходимо проанализировать существующие рекомендации по расчету долговечности гофрированных труб и на их основе разработать предложения по выполнению расчета долговечности гофрированных труб в нашей стране [135, п.7]. Что касается зарубежных рекомендаций по гидравлическому расчету СГМТ, то возможности их использования в отечественной практике весьма ограничены. Объясняется это тем, что применяемая за рубежом методика гидравлического расчета совпадает с применяемой в РФ только при расчете напорного режима, а при гидравлическом расчете безнапорного, полунапорного и частично-напорного режимов используется несколько иной подход. Кроме того, для наиболее широко применяемого в РФ спирального гофра размером 125х25 мм, приводимые за рубежом рекомендации по назначению коэффициента шероховатости при напорном и безнапорном движении водного потока, во-первых, не обоснованы экспериментальными гидравлическими исследованиями, и, во-вторых, для случая установки по дну СГМТ дополнительного защитного покрытия их просто нет.

Все вышеизложенное свидетельствует о необходимости проведения анализа зарубежных рекомендаций по расчету металлических гофрированных труб и на их основе разработки предложений по оценке долговечности, проектированию и расчету гофрированных труб в РФ, выполнения экспериментальных исследований по изучению гидравлических условий работы моделей МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием, установленным по их дну и без него при различных условиях эксплуатации [135, п.7].

Цели и задачи. Проведение анализа существующих методов оценки долговечности металлических гофрированных труб с разработкой рекомендаций по способам увеличения надёжной и безопасной работы МГТ и СГМТ, а так же выполнить исследования с целью получения экспериментальных данных о гидравлических сопротивлениях МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при напорном и безнапорном движении воды, изучить гидравлическую работу СГМТ при различных условиях эксплуатации с разработкой комплексной методики, позволяющей выполнить гидравлические и конструктивные расчеты трубчатых сооружений из МГК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи [135, пп.4, 7, 11]:

- изучить основные факторы, влияющие на надёжность работы и долговечность труб из МГК, разработать рекомендации по увеличению их долговечности для условий отечественного дорожного и природоохранного строительства;

- изучить влияние дополнительного защитного покрытия на работу трубчатого сооружения из МГК, исследовать гидравлические сопротивления в МГТ и СГМТ с защитным покрытием, установленным по дну, или без него при напорном и безнапорном движении воды в сооружении;

- изучить работу СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при различных условиях эксплуатации с разработкой рекомендаций по выполнению гидравлического расчета;

- получить данные о глубинах на входе и выходе СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при безнапорном режиме его работы и о влиянии типа входного оголовка на эти глубины с разработкой рекомендаций по установлению их значений;

- изучить условия «зарядки» МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него, т.е. смены полунапорного режима частично-напорным режимом при различных типах входного оголовка;

- изучить факторы, влияющие на длину концевого безнапорного участка в трубах из МГК с дополнительным защитным покрытием при частично-напорном режиме с разработкой рекомендаций по установлению его значения;

- разработать алгоритм проектирования и гидравлического расчёта трубчатых сооружений из МГК [135, пп. 7].

Научная новизна:

- впервые установлено различие между гидравлическими сопротивлениями СГМТ без дополнительного защитного покрытия по дну и с ним при безнапорном и напорном движении воды и получены данные о гидравлических сопротивлениях СГМТ размером 125х25 мм без дополнительного защитного покрытия по дну и с ним при напорном и безнапорном движении воды в трубе;

- установлено влияние наполнения МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием по дну и без него на гидравлические сопротивления при безнапорном движении воды и влияние уклона трубы на их величину;

- впервые получены данные о значении коэффициента шероховатости п в МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при безнапорном и напорном движении воды в них, установлено изменение значения коэффициента п с наполнением трубы, а также с изменением уклона трубы при безнапорном движении; разработаны рекомендации по расчету коэффициентов п при безнапорном и напорном движении воды;

- установлены коэффициенты расхода для гидравлического расчета МГТ с лотком по дну и СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при их работе в безнапорном и полунапорном режимах, даются рекомендации по их определению;

- приводятся расчетные зависимости по определению глубин на входе в трубчатые сооружения из МГК с дополнительным защитным покрытием по дну и без него при безнапорном режиме и глубин на выходе из них при безнапорном и полунапорном режимах;

- впервые установлено влияние уклона труб из МГК на длину концевого безнапорного участка и приводятся рекомендации по его нахождению при частично-напорном режиме работы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе результаты необходимы для проектирования трубчатых водопропускных сооружений из МГК с дополнительным защитным покрытием по дну и без него и выполнения их гидравлического расчета [135, п. 4]. Несмотря на большой масштаб ежегодного строительства таких сооружений, в настоящее время в РФ вообще отсутствуют какие-либо обоснованные рекомендации по выполнению гидравлического расчета СГМТ и оценки их долговечности, а в проектах строящиеся водопропускные сооружения не обосновываются обязательными в соответствии с действующими нормативными рекомендациями расчетами. Это приводит к тому, что строящиеся из МГК водопропускные сооружения имеют пониженную безопасность.

Методология и методы исследований. Модельные гидравлические исследования и теоретические расчёты.

Положения, выносимые на защиту:

- особенности гидравлических режимов в водопропускных трубах из гофрированного металла при разной форме гофра, конструктивном исполнении транзитного, входного и выходного участков малой трубы равнинного типа и её уклона;

- значения коэффициента расхода для гидравлического расчета труб из МГК с дополнительным защитным покрытием по дну и без него при их работе в безнапорном и полунапорном режимах;

- результаты исследования коэффициента шероховатости в МГТ с лотком по дну и СГМТ с дополнительным защитным покрытием и без него при безнапорном и напорном движении воды в ней;

- экспериментальные зависимости для определения глубин на входе в МГТ и СГМТ с дополнительным защитным покрытием по дну и без него при безнапорном режиме и глубин на выходе из неё при безнапорном и полунапорном режимах;

- результаты сравнительного анализа и зависимости для гидравлического расчёта равнинных труб из МГК, выпускаемых отечественными производителями для учёта их конструктивных особенностей в практике проектирования;

- алгоритм определения основных параметров потока при проектировании инновационных конструкций водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур с повышенной абразивной устойчивостью донной части.

Степень достоверности научных результатов. Достоверность результатов заключается: в том, что базовые исходные зависимости, используемые в работе, ранее частично экспериментально проверялись отечественными и зарубежными авторами; в большом объёме экспериментальных данных, полученных в ходе лабораторных исследований с незначительными относительными ошибками; в оценке параметров водного потока при расчете пропускной способности инновационных закрытых водопропускных сооружений при помощи специальных программ для ПК; в сопоставлении полученных результатов с проектными решениями и расчётными методиками, действовавшими на момент проведения исследований, ведомственными строительными нормами и правилами в области гидротехнического и дорожного строительства, отраслевыми методическими документами.

Апробация результатов. Основные положения приведенных в диссертационной работе исследований докладывались на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» (Москва, 2016 г.) и кафедры «Гидравлика» МАДИ ГТУ (2012-2016 гг.), на 1-ом Всероссийском дорожном конгрессе (Москва, 2009 г.), на Международной конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва, 2011 г.), на Международной практической конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Москва, 2012 г.), на ежегодной научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (2009, 2012, 2016, 2017 гг.), на Международных научно-практических конференциях и форумах в Московском государственном университете природообустройства и ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» (Москва, 2005, 2010, 2014, 2016, 2017 гг.).

Материалы выполненных исследований представлены в 28 печатных работах, 9 статей из них в научных периодических изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ и одной статье на английском языке издательства Springer Science, семи патентах РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 214 страницах машинописного текста, включая 80 рисунков, 22 фотографии, 32 таблицы, библиографического списка из 135 наименований, из которых 49 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАСЧЁТА, СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ ИЗ ГОФРИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

1.1 Современный опыт проектирования и расчёта трубчатых водопропускных сооружений из гофрированного металла

Водопропускные трубчатые сооружения являются наиболее часто встречающимися структурными элементами не только на мелиоративной сети, но и на автомобильных магистралях, где их насчитывается не менее 1...2 на километр дороги или около 75.90 % общего количества малых гидротехнических сооружений (ГТС). Их стоимость составляет примерно 8.15 % общей стоимости автодорог [31, 55]. Срок службы мостовых сооружений, построенных по типовым проектам на автодорогах, редко превышает 35 лет, при этом долговечность малых автодорожных мостов в 2.2,5 раза меньше, чем больших [39]. Поэтому замена их трубами из гофрированных металлических конструктивных элементов (МГК) большого размера на водотоках с расходом в диапазоне 5.90 м3/с, особенно в сложных климатических условиях и наличии карчехода, является перспективным [26, 41].

В частном случае выбор материалов водопропускных труб основывается на способности материалов удовлетворять основным проектным требованиям: технологичность; гидравлические свойства; экологичность; конструкция стыков; срок службы (долговечность). По данным компании ViaCon при замене мостов на трубы и арки из МГК большого диаметра (более 4 м) затраты на строительство снижаются в 2.4 раза, среднего диаметра (до 3.4 м) экономия - до 50 %, а малых (до 2 м) - 10.30 % [2].

В настоящее время более чем в 20 странах мира находят всё более широкое применение в транспортном, ландшафтном, водохозяйственном, городском и гидромелиоративном строительстве трубы из МГК [2, 6, 9]. Они используются в основном в виде водопропускных сооружений различного назначения: при возведении новых искусственных водопропускных сооружений и реконструкции

старых переходов, водосбросов при низконапорных гидроузлах, малых и средних мостов, экодуков, транспортных переходов через нерестовые водотоки и ирригационные каналы, лавинозащитных галерей, дренажей, ливнеотводов, путепроводов и тоннелей, рыбопропускных сооружений, водостоков и других сооружений (рис. 1.1) [135, пп. 11].

а б

Рисунок 1.1. Общий вид водопропускной оцинкованной металлической гофрированной трубы из МГК: а - СГМТ диаметром 1,5 м из листа толщиной от 1,5 мм до 3 мм; б - МГТ после гильзования железобетонной одноочковой трубы на автодороге «Москва - Минск», выполненный ЗАО «ЦПЭ - Экотерра»

Использование металлических гофрированных труб (МГТ) в строительстве насчитывает более 130 лет. Первые водопропускные МГТ были изготовлены в России в 1875 году на Петербургском металлическом заводе. К 1888 году на Закаспийской железной дороге было уложено 1800 погонных метров оцинкованных водопропускных труб (несколько десятков объектов). До 1914 г. на железнодорожных и автомобильных дорогах юга и центра России было построено уже около 65000 м металлических гофрированных трубчатых переходов - более 5000 объектов [13]. Большая часть их находится в эксплуатации и сейчас.

За рубежом такие трубы были впервые построены на 10...15 лет позднее. В США в 1886 году был получен первый патент на гофрированную трубу. МГТ наиболее интенсивно стали применяться в последние годы в Канаде, США, Японии, Франции, Англии и ФРГ. В странах с развитой сетью автомобильных дорог и в частности в США, МГТ составляют 26 % от общего количества построенных

водопропускных труб, а в штатах с суровыми климатическими условиями (Аляска) - 70 % (остальные водопропускные трубы - пластиковые, бетонные трубы не применяются) [116]. В России МГТ стали широко использоваться в связи с промышленным освоением Севера и Востока и, прежде всего, со строительством БАМа и дорог в Западной Сибири (рис. 1.2) [5, 14]. Первой отечественной автодорогой с повсеместным применением труб из МГК стала трасса «Амур» Чита-Хабаровск. В настоящее время металлические гофрированные трубы составляют в РФ не более 5% от общего количества дорожных водопропускных сооружений и это несмотря на безусловные преимущества, которые они имеют в сравнении с гладкими бетонными трубами [135, пп.7].

/ I— 5

« 1

6

Рисунок 1.2. Продольный разрез трёхочкового водопропускного сооружения из

МГК (проект ОАО ЦНИИС реконструкции моста через р. Таунга на автомобильной дороге Хабаровск-Лидога-Ванино, 2010 г.): 1 - габионы Джамбо

по слою геотекстиля; 2 - открылки из габионов системы «Террамеш»; 3 -укрепление матрасами Рено по слою геотекстиля; 4 - глиняный экран; 5 - МГК диаметром 7 м с гофром 381х140х6 мм; 6 - щебенистый грунт

До 1917 г. МГТ применялись в основном небольшим диаметром 0,53 м и 1,07 м. В настоящее время используют круглые гофрированные трубы больших диаметров: чаще 1.3 м, но востребованы и размером более 8 м на водотоках разного типа.

По сравнению с бетонными трубами трубы из МГК обладают рядом преимуществ:

- лёгкость, оптимальное соотношение веса и несущей способности;

- экологическая чистота строительства водопропускных сооружений;

- быстрота сборки и высокая технологичность (монтаж трубы диаметром 6 м и длиной 100 м длится в среднем не более 3 недель, а небольшие трубы монтируются за 1.. .5 дней);

- повышенная сейсмостойкость и сопротивление разрушению;

- высокая приспособленность к значительному изменению температурных и грунтовых условий, отсутствие необходимости создания фундамента - гравийно-песчаной подушки;

- большая гибкость и прочность, которые обусловлены совместной работой трубы с грунтом обратной засыпки;

- долговечность (средний срок службы МГТ до 70.75 лет);

- невысокие транспортные расходы и высокая транспортабельность (гофрированные листы транспортируются в пакетах весом 1.5 т. В железнодорожный вагон загружается около 350 погонных метров трубы диаметром 1,5 м, а в автомобиль - до 100 м. Разгрузка может производиться вручную, так как вес одного листа составляет примерно 60.100 кг);

- большое разнообразие форм и размеров позволяет выбрать оптимальный вариант МГТ для конкретных условий;

- снижение совокупных затрат на 30.60 %;

- простота и надёжность соединений труб небольшого размера посредством муфт без раструбов;

- улучшенные показатели стойкости к удару;

- эстетическая привлекательность сооружения;

- отсутствие необходимости во вскрытии насыпи во время укладки и ремонта;

- реанимирование мостовых и водопропускных сооружений, требующих капитального ремонта, без вскрышных работ и сохранения целостности земляного полотна, что позволяет обеспечить пропуск расхода до 200.300 м3/с.

Цельность, жесткость и сравнительная легкость СГМТ позволяют использовать их при капитальном ремонте водопропускных сооружений методом «гильзования» или релининга (sleeving) (рис. 1.3). При использовании этого

метода старое водопропускное сооружение (бетонная труба, малый мост) не удаляются из дорожной насыпи, а в него вставляется СГМТ меньшего размера, а конструктивный зазор между ними заполняется бетоном. Метод инновационный, выполняется быстро и не требует полной остановки движения транспортного потока. Поэтому он широко используется при капитальном ремонте водопропускных сооружений, как в нашей стране, так и за рубежом.

а б

Рисунок 1.3. Релининг водопропускных сооружений с применением МГК [2]: а - схема реконструкции труб методом «гильзования»; б - процесс релининга одноочковой бетонной трубы СГМТ, ООО «ВиаКон СейфРоуд»

Однако при замене большего по размерам закрытого водопропускного сооружения меньшим (минимальный зазор допускается 0,1 м) новая труба из МГК может не обеспечить пропуск расчетного расхода, на который была запроектирована старая гладкая труба, что рано или поздно приведет к аварийной ситуации и возможно к деформации или разрушению водопропускного сооружения либо земляной насыпи. Для недопущения этого и повышения надёжности работы всего искусственного водного сооружения в целом, необходимо предусмотреть мероприятия по увеличению пропускной способности гофрированной трубы, что можно сделать за счет изменения её гидравлических условий работы при пропуске расчетного расхода.

Помимо достоинств водопропускные гофрированные труб имеют и ряд недостатков: повышенный коэффициент шероховатости из-за наличия гофров;

высокая чувствительность к ^Я-фактору (коррозия) [7] (рис. 1.4а); разрушение за счет абразивного воздействия (рис. 1.4б).

б

Рисунок 1.4. Основные дефекты водопропускных МГТ [99, 111]: а - внутренняя

коррозия; б - абразивное разрушение

Конструкции водопропускных сооружений из МГК работают совместно с окружающим грунтом засыпки и составляют единую систему «труба - грунтовая обойма» (рис. 1.5). Экономичность такой системы обеспечивается использованием в качестве строительных материалов местного грунта, который уплотняется и армируется геотекстилем или объёмными георешётками.

Трубчатые сооружения из гофрированного металла - сталегрунтовые сооружения, включающие гибкие многолистовые гофрированные стальные конструкции замкнутого либо незамкнутого типа и работающие совместно с хорошо уплотнённой армогрунтовой обоймой. Они выполняются из металлических труб с нормальным (МГТ) и спиральным (СГМТ) или, как

называют в России, спиральновитым (СВМГТ) гофром, у которых гофр составляет острый угол с диаметральной осью трубы [2, 46] (рис. 1.6).

а б

Рисунок 1.5. Водопропускное сооружение на р. Харбаз в Приэльбрусье из супергофра 380x140 мм, ЗАО «Гофросталь», 2011г.: а - вид на насыпь высотой

24,5 м; б - арка пролётом 10 м и длиной 55 м; 1 - распорки из георешёток, заполненных камнем; 2 - песок средней крупности в обойме из геотекстиля; 3 -зона ручного уплотнения грунтовой обоймы; 4 - габионы

Нормальная форма гофра Спиральная форма гофра

Рисунок 1.6. Схема труб из МГК: соответственно МГТ и СГМТ

Причем значение угла спиральности не постоянное, а меняется в зависимости от размера гофра и диаметра трубы й. С увеличением й угол спиральности уменьшается: для трубы с й = 1,2 м он равен 9021', с й = 3,6 м - 3009', т.е. изменение угла спиральности для всей линейки СГМТ, применяемых в качестве сетевых водопропускных, достаточно малое. Угол спиральности влияет на гидравлические сопротивления и распределение глубин в СГМТ. По зарубежным данным [115], гидравлические сопротивления в СГМТ трубах меньше, чем в МГТ с нормальной формой гофра для однотипных видов гофра.

МГТ собирается из отдельных элементов (листов) заданного радиуса кривизны внахлёст, соединяемых болтами (рис. 1.7).

Рисунок 1.7. Общий вид листа для МГТ и очертание гофра: а - конструкция листа; б - форма и размеры волны гофра; X - длина волны; Н - высота гофра; t -толщина листа; В - длина листа; Ш - расстояние (шаг) между болтами

Наиболее часто применяемые в России параметры гофра МГТ: 100x20 мм; 130x32,5 мм; 152,4x34 мм и 152x51мм; 200x55 мм; 380x140 мм, применяются также гофры 68x13 мм; 150x50 мм; 400x150 мм и другие: первый размер - X (Ьг) длина волны гофра, второй Н (А) - его высота [19]. СГМТ выпускаются в основном диаметром от 0,3 до 3,6 м по стандартам производящиx организаций с гофром: 68x13 мм; 100x20 мм и 125x26 мм. За рубежом широко используются трубы с тремя видами спирального (helical) гофра: 68x13 мм; 75x25 мм и 125x25 мм. В России наиболее востребован третий вид СГМТ диаметром 1 и 1,5 м. В рыбоxозяйственной гидротеxнике диаметр СГМТ - от 1 до 7 м.

Сооружения из МГК имеют различные формы поперечного сечения, основные из которьк представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Виды поперечных сечений металлических гофрированных труб, выпускаемых ЗАО «Гофросталь» и ОАО «Алексинстройконструкция» [2, 37]

Сxема сечения Диаметр/пролёт/подъём,м Виды сечений

1 2 3

© D = 0,7.3,5 D = 1,5.7,0 D = 5,0.15,0 Круглое

CP S = 2,6.9,0 Горизонтально ориентированный эллипс

Схема сечения

Диаметр/пролёт/подъём,м

Виды сечений

1

2

3

Б = 1,5.6,5

Вертикальный эллипс

Б = 1,5.12

Полицентрическое очертание, пониженной высоты

1,9.9,0

Труба с плоским дном

1,5.8,0

Грушевидное

Б = 2,0.13,0

Арка кругового очертания с постоянным радиусом (арочное)

Б = 5.15,0

Арка пониженного очертания

Б = 6,0.15,0

Арка повышенного очертания

3,0.8,0

Квадратное

За рубежом номенклатура используемого гофра шире (рис. 1.8): толщина стенок гофрированного листа или пластинчатых элементов 2,7.7 мм; длина листов 0,9.2,6 м. Во Франции используют металл с шагом гофра от 67,7 до 200 мм и глубиной от 12,7 до 60 мм. Круглые трубы имеют диаметры от 0,3 до 7,0 м, а использование специальных приёмов (ребра жесткости, предварительное нагружение конструкций и др.) позволяет увеличивать пролет до 10.12 м. Японские фирмы изготавливают МГТ: круглые - диаметром от 0,3 до 4,5 м; овоидальные - с длинной осью от 2,0 до 6,0 м; арочные - пролетом от 1,5 до 7,0 м. Трубы делят на два типа: выполняемые из одноразмерных листовых элементов,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бурлаченко Алёна Владимировна, 2017 год

• • -

. « • •

0006 0.008 0.010 0 012 0.014

п_шерох

0.016

0.018

Рисунок 3.6. Коэффициент шероховатости п = f (Ь0Шр) для модели МГТ с гладким лотком по дну йр = 18,6 см, /т = 0,096, 1Т = 520 см при безнапорном и

полунапорном режимах

Следует отметить, что опытные точки для моделей с одинаковыми уклонами (/т = 0,01 и 0,031), но с различными длинами труб (= 414 см и 520 см) удовлетворительно согласуются и по максимальным значениям п и по характеру зависимости п от И0Шр (рис.3.3 и 3.4).

Сопоставление экспериментальных графических зависимостей п = f (И0/^) 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.

i

ho/dp

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД

0 ■

о,'

Рисунок 3.7. График зависимости n = f(h0/dp): 1, 2 - опытные точки для модели гофрированной трубы с расчетным диаметром din = 0,1935 м, уклоном i = 0,096 при безнапорном и полунапорном режимах работы; 3, 4, 5 - опытные точки для модели гофрированной трубы с гладким лотком по дну с dp = 0,186 м, длиной 5,2 м с уклонами соответственно i = 0,031; 0,096 и 0,01; 6 - опытные точки для модели гофрированной трубы с гладким лотком по дну с dp = 0,186 м, длиной 4,14 м с уклоном i = 0,05

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 ¿т 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).

ч п=С ■ .0268

1 ■

\\ \ ■ ■

с оо £ > ш ■ ■ ■

CP О лГ С £ #1 г > < >/Vs >

i fé и^д и « dJ ¥ <У< о >

%А h V/ О о

¿ w о < i

OI

г

дз

♦ 4 О 5

□ 6

Э1

0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 0,022 0,024 0,026 0,028

0,03

Таблица 3.1 - Максимальные значения коэффициентов шероховатости п, полученные в результате экспериментов для МГТ с гладким лотком по дну

/т 0,01 0,031 0,05 0,096

пм 0,0158 0,0158 0,0168 0,018

Установлено, что с небольшой погрешностью при безнапорном режиме работы МГТ влияние уклона на значение максимального коэффициента шероховатости модели МГТ пм можно описать линейной зависимостью

пм = 0,0155 + 0,026/т. (3.3)

Соответственно для натурной МГТ с гофром 130х32,5 мм при а, =5 зависимость максимального коэффициента шероховатости пн от уклона может быть определена по выражению

пн = 0,02 + 0,034/т. (3.4)

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 И0Шр « 0,67...0,77. При И0Шр « 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 (ИвхШр = 1,0) происходит при соответствующих наполнениях И0Шр « 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 = 0,0157х50,16666 = 0,0205 (при принятом а, = 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 (пн = 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 Ивх/^ = 0,75, а наибольшего расхода - с Ивх/^ = 0,9 [1, 2, 20]. Проведенные экспериментальные исследования (вопрос о глубинах на входе будет рассмотрен ниже) позволили выявить наполнения И0/^, при которых происходит смена режимов, и значения коэффициента шероховатости пм в МГТ с лотком по дну при этом (таблица 3.2). Таблица 3.2 - Изменение значений пм при смене режимов в МГТ с гладким лотком по дну при нормативном заполнении труб ¿вх/^р= 0,75... 0,9

№п/п Ъвх!йр = 0,75 ¿вхЧ = 0,9

/т ¿04 пм пм

1 0,01 0,54 0,0144 0,0155

2 0,031 0,42 0,0146 0,0157

3 0,05 0,37 0,0148 0,0156

4 0,096 0,315 0,0146 0,0154

Таким образом, в исследованном диапазоне изменения уклонов (/т = 0,01.0,096) коэффициенты шероховатости при безнапорном режиме работы гофрированной трубы с гладким лотком по дну и заполнениями трубы на входе

= 0,75 и 0,9, осредняя, с небольшой долей погрешности можно принять одинаковыми, равными соответственно пм = 0, 0146 и 0,0155. Пересчитав их на натурный размер гофра получим пя = 0,0146х5016666 = 0,019 и пя = 0,0155х50 16666 = 0,0203. Как видим, при Ивх/^ = 0,75, 0,9 и 1,0 значения коэффициентов шероховатости практически одинаковые (пн = 0,019, 0,0203 и 0,0205). Однако значение пн, полученное по результатам экспериментов, намного меньше, чем рекомендуемое в нормативной литературе пн = 0,025 [46].

Полученные экспериментальные данные качественно совпадают с результатами исследований, выполненных в Бонневильской лаборатории штата Огайо США в 50-х годах ХХ века MJ.Webster и L.R.Metcalf [105]. При исследовании МГТ с ^вн = 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 ~ 0,75^ коэффициент шероховатости увеличивался до максимального значения и с дальнейшим увеличением наполнения трубы не менялся (в экспериментах максимальные наполнения составляли ~ 0,96^). 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 (/т = 0,096). При /т < 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 /т = 0,005 [105] и в выполненных в МАДИ исследованиях трубы с /т = 0,01, имеют лишь небольшое расхождение (соответственно 0,75^ и примерно 0,7^). 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 й = 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 , подставляя диаметр МГТ (й) в метрах [42].

Гофрированная водопропускная труба с гладким лотком по дну, работающая в безнапорном режиме с ИвхШр = 0,75 при уклонах /т = 0,01; 0,031; 0,05; 0,096 пропускает расходы при изменении параметров расхода в от 0,308 до 0,333 (подробно вопрос о глубинах на входе в трубу будет рассмотрен ниже). При этом значение критического уклона, найденное по графикам (рис. 3.8) для всех уклонов практически одинаково и составляет ¡к « 0,009 (таблица 3.3). Все модели МГТ при Ивх/йр < 0,9 в безнапорном режиме работали как «короткие» (см. подробнее п. 4.1.1). Лишь модели МГТ, уложенные с уклоном /т = 0,01 при работе в безнапорном режиме с квх/йр = 0,9 могли работать как «длинные» (т.к. в этом случае /т = 0,01 < /к = 0,011).

0.012

0.010

0.008

0.006

0.004

0.002

0.000 0

и

0-030 0.025 0 020 0.015 0.010 0.005 0.000

у *

•

• •

X •

0 0.1 0.2 0.3 0 4 0.5

0

а

У

* ■

0.4 0.|

б

/к

0.04 0.03 0.02 0.01 0.00

• • /

/ .г ••

в

0.0^ 0.2 0.4 0.6 0.8 в 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

в г

Рисунок 3.8. График функции /к = /(в) модели МГТ с лотком по дну при работе водопропускного сооружения в безнапорном и полунапорном режимах: а - /т = 0,01; б - /т = 0,031; в - /т = 0,05; г - /т = 0,096

Таблица 3.3 - Изменение значений /к при смене режимов в МГТ с гладким лотком по дну при заполнении труб ¿вх/Чр= 0,75 .0,9

№п/п /т Ивх/Чр = 0,75 квх!Ч = 0,9

в /к в /к

1 0,01 0,308 0,009 0,4 0,011

2 0,031 0,317 0,009 0,408 0,011

3 0,05 0,3327 0,009 0,414 0,012

4 0,096 0,333 0,009 0,425 0,013

Таким образом, выполненные экспериментальные исследования позволили установить, что МГТ с гофром 130x32,5 мм и гладким лотком по дну, занимающим 1/3 внутреннего периметра, пропускающие расчетный расход в безнапорном

режиме при /т > 0,01 работают в основном по типу «коротких». Важно, что получила научное обоснование сформулированная более 30 лет назад рекомендация ЦНИИС [42]: при /т > 0,01 не учитывать снижение пропускной способности МГТ при безнапорном режиме, даже если уклон трубы меньше критического уклона (/т < /к), который, как ошибочно считалось до сих пор, может достигать /к « 0,02.0,03. Всё это позволяет сделать вывод о возможности корректного переноса в натуру результатов полученных модельных исследований.

3.2. Гидравлические сопротивления в трубах со спиральным гофром

3.2.1. Напорное движение в спиральновитых трубах

Исследования показали, что модель СГМТ при отсутствии гладкого лотка по дну самопроизвольно «заряжается» и устойчиво работает сначала в частично-напорном режиме, который затем плавно сменяется напорным режимом. После «зарядки» над входом без оголовка формировалась устойчивая воронка переменной интенсивности, через вихревой шнур которой в трубу поступал воздух. Однако это не нарушало устойчивость напорного движения воды в трубе и практически не оказывало влияние на пропускную способность сооружения. Объясняется это тем, что в СГМТ не формируется вакуумметрическое давление на входе вследствие повышенного гидравлического сопротивления гофрированной поверхности трубы.

Экспериментальные исследования, выполненные на модели водопропускного сооружения со спиральной формой гофра с углом спиральности ф = 9021', подтвердили гипотезу, что из-за отсутствия свободной поверхности в СГМТ, влияние уклона трубы /т на гидравлические сопротивления по длине X при напорном режиме работы СГМТ, как и для МГТ, не сказывается (рис. 3.9). При разных уклонах СГМТ /т и одинаковых числах Яв значения X практически совпадают, а при Яв > 380000.40000 можно считать значение X не зависящим от числа Рейнольдса и равным X ~ 0,0925.

Рисунок 3.9. Коэффициент гидравлического сопротивления Л модели СГМТ = 24 см без входного оголовка при напорном режиме работы сооружения: 1 - /т = 0,05; 2 -

/т = 0,03

Таким образом, при пересчёте значений коэффициента шероховатости исследованной модели СГМТ без входного оголовка на натурную водопропускную трубу диаметром й = 1,2 м и гофром 125х25 мм, используя зависимость Маннинга (2.7) и линейный масштаб а1 = 5, получим

•°,24/1% 70,0925 /

пм = ^ /4) /,-= 0,02148 и пн = 0,02148х51/6 = 0,0281.

м /78X9,81 н ' '

Полученное значение коэффициента п при напорном движении в СГМТ заметно превышает рекомендуемое ЛВ1 для такой трубы значение коэффициента пн = 0,022 (таблица 1.15). Расхождение в сторону увеличения составляет примерно 23 %. В то же время это значение коэффициента пн согласуется с рекомендациями работы [116] и результатами сделанного в разделе 1.3 вывода, согласно которому значение коэффициента шероховатости для гофра 125х25 мм при напорном движении не должно быть меньше пн = 0,028.

В справочной литературе приводятся и другие рекомендации по назначению коэффициентов шероховатости СГМТ для труб различного диаметра (см. раздел 1.3). Но они менее конкретные, чем рассмотренные выше. Так, в справочнике [88] для труб различного диаметра с гофром 125х25 мм

рекомендуется принимать значения п в диапазоне 0,025.0,026. При этом указывается, что для СГМТ диаметром менее 1,8 м значения сопротивлений будут ниже. В качестве источника данной рекомендации дается ссылка на справочник 1980 г. Федерального дорожного агентства США (FHWA) [118]. Однако в справочнике [118] рекомендуется для СГМТ принимать значение коэффициента шероховатости такое же, как и для МГТ. Рекомендаций по назначению пн для труб с гофром размером 125х25мм не приводится, но для труб с гофрами 75х25 мм и 150х25 мм даются значения коэффициентов шероховатости соответственно равные пн = 0,0281.0,026 и пн = 0,026.0,027 (для труб диаметром й = 0,915.2,44 м). Учитывая, что гофр 125х25 мм занимает промежуточное положение между этими размерами гофра, то и значения коэффициента шероховатости для него должны располагаться в диапазоне пн = 0,0281.0,026, что достаточно близко к полученному по опытам значению пн = 0,0281.

Значения коэффициентов шероховатости СГМТ с портальным и раструбным входными оголовками при напорном движении оказались одинаковыми и равными пн = 0,02694 « 0,027, что меньше значения пн = 0,0281, полученного для безоголовочного входа (различие 4%). Влияние конструкции входного оголовка на значение п связано с дополнительными сопротивлениями, которые получает водоток на входном участке сооружения с безоголовочным входом. Деформация потока на входе распространяется по всей длине СГМТ, что и вызывает незначительное увеличение значений коэффициента шероховатости у СГМТ с входом без оголовка.

В СГМТ с установкой гладкого лотка на дне трубы при устойчивом напорном движении воды в водопропускном сооружении с увеличением значений числа Рейнольдса Яв от ~ 300000 до ~ 400000 значение коэффициента X увеличивается. При числах Рейнольдса Яв > 400000 значение коэффициента X перестает меняться (рис. 3.10) и можно считать, что наступает квадратичная область сопротивления, в которой X ~ 0,065. При этом значение коэффициента шероховатости исследуемой модели СГМТ при расчёте коэффициента Шези по Маннингу составляет

Из графика видно, что при исследованных

уклонах труб ¡т = 0,03 и ¡т = 0,05 экспериментальные результаты хорошо согласуются, то есть влияние уклона на значение коэффициента X отсутствует.

Рисунок 3.10. Коэффициент гидравлического сопротивления Я для СГМТ йр = 23,2 см с гладким лотком по дну при напорном режиме работы сооружения:

1 - ¡т = 0,05; 2 - ¡т = 0,03

В пересчете на натурную трубу диаметром d = 1,2 м коэффициент шероховатости равен пн = 0,0179х 51/6 = 0,0234. Таким образом, полученное в этой серии экспериментов значение коэффициента шероховатости натурной СГМТ со спиральным гофром размером 125х25мм с гладким лотком по дну оказалось заметно меньше коэффициента шероховатости пн = 0,028 той же СГМТ без гладкого лотка (см. п. 3.1.1).

Сопоставление полученного в экспериментах значения коэффициента шероховатости СГМТ с гладким лотком по дну (пн = 0,0234) с расчетными коэффициентами, найденными по формулам (1.1) Einstein и Banks [45, 46] и (3.1) Нортона [93, 109], принимая коэффициент шероховатости гладкого лотка, равным коэффициенту шероховатости бетонной поверхности пгл = пб = 0,014, как принято в России, и для гофра пгофр = пн = 0,028, показывает, что расчетный коэффициент шероховатости, подсчитанный по формуле Нортона (3.1), в точности совпадает с полученным экспериментально коэффициентом пн = 0,0234, а расчет по формуле (1.1) дает несколько завышенное значение коэффициента шероховатости - пгл л = 0,0242, хотя различие и небольшое.

Следует отметить, что изменение коэффициента шероховатости гладкого лотка слабо влияет на расчетное значение пглл. Так, если выполнить расчет пглл по формулам (1.1) и (3.1), приняв коэффициент шероховатости бетона равным пб = пгл = 0,012, как принято в США, то значения коэффициентов шероховатости получатся соответственно равными пглл = 0,0239 и пглл = 0,0229, и в равной степени будут близки к экспериментально установленному значению пн = 0,0234.

Следует заметить, что приводимые в зарубежной литературе, в частности в справочнике Л181, для гофра 125х25 мм коэффициенты шероховатости существенно занижены (в отдельных случаях, как отмечалось и зарубежными исследователями, более чем на 40 %) [8]. Правда их значения получены не на основании экспериментальных гидравлических исследований, а путем логического анализа изменения коэффициентов шероховатости для гофров другого размера и вида.

3.2.2. Безнапорное движение в спиральновитых трубах

Исследованные модели водопропускных сооружений из МГК на начальных стадиях экспериментов, проведенных под руководством В.И. Алтунина и О.Н. Черных, имели сверхкритический уклон (/т > /к) при безнапорном и полунапорном режимах работы [8]. Модель как МГТ, так и СГМТ без гладкого лотка на дне работала по типу «короткой», т.е. сопротивления по длине трубы не оказывали влияние на её пропускную способность [1, 9]. Во время экспериментов гидравлические сопротивления на модели СГМТ изучались не только при безоголовочном входе, но также при устройстве на входе портальной стенки и раструбного входного оголовка. Полупрозрачные стенки трубы позволяли установить отсутствие гидравлического прыжка в её транзитной части.

Для моделируемой СГМТ диаметром 1,2 м получены графики, по которым можно определить критический уклон /к в зависимости от параметра расхода в, (рис. 3.11), а для труб другого диаметра, но той же формы гофра, найденное по графику значение /к надо разделить наТ^, подставляя й в метрах.

а

б

Рисунок 3.11. Критический уклон СГМТ при работе водопропускного сооружения с портальным входным оголовком в безнапорном и полунапорном режимах: а - ¡т

= 0,03; б - ¡т = 0,05

Из анализа экспериментальных данных (рис. 3.11) следует, что при устройстве входного оголовка в виде портальной стенки (впрочем, как и при его отсутствии) в СГМТ при заполнении на входе Ивх/йр = 0,75 водопропускное сооружение в безнапорном режиме работы обеспечивает пропуск практически одинаковых по значению расходов воды при параметре в ~ 0,29 как при уклоне трубы ¡т = 0,03, так и ¡т = 0,05, при этом значение критического уклона соответственно составляет ¡к « 0,016 и 0,019. При устройстве же на входе раструбного оголовка при этих же уклонах трубы ¡т и Ивх/йр = 0,75 пропускаемые расходы соответствуют параметру в ~ 0,348 и соответствено ¡к « 0,017 и 0,021.

При исследованных уклонах труб и малых наполнениях СГМТ примерно до (0,15.0,2) И(/й значения коэффициентов шероховатости практически одинаковы пм ~ 0,019.0,02 (для натуры пн = 0,019х51/6 = 0,0248) (рис. 3.12). Визуализация безнапорного движения при таких параметрах потока свидетельствует о незначительной волнообразности водной поверхности.

Рисунок 3.12. Экспериментальные данные по оценке значения коэффициента шероховатости п исследованной модели СГМТ без входного оголовка в зависимости от наполнения трубы И^й при безнапорном движении воды при /т = 0,05 (1), 0,03 (2) и

й = йр = 23,2 см

С увеличением наполнения до 0,45И(/й волнообразование возрастает, в результате увеличиваются и значения коэффициентов шероховатости в обеих моделях СГМТ, причём в разной степени. Следует отметить, что влияние роста уклона трубы при бурном состоянии потока на увеличение волнообразования свободной поверхности, вызывающее дополнительное увеличение значений коэффициента шероховатости отмечалось ранее при исследовании МГТ [106] и в работах [21, 118]. В СГМТ с уклоном трубы /т = 0,03 значение коэффициента шероховатости повышается до пм ~ 0,0204 (на 7,4 %) (пн = 0,0204х51/6 = 0,0267), а у модели с = 0,05 - до Пм ~ 0,0229 (на 52,6 %) (пн = 0,0229х51/6 = 0,03). Различие между максимальными значениями пм составляет около 12,4 %. Далее с ростом наполнения до (0,81.0,82) И^й значения коэффициентов шероховатости у обеих моделей стабилизируются.

Исследование влияния типа входного оголовка на значения коэффициентов шероховатости при безнапорном движении воды в сооружении с СГМТ показало, что при одинаковых уклонах труб значение пн для натурной СГМТ практически не меняется

(таблица 3.4) и может быть принято для гофра 125x25 мм при уклонах ¡т = 0,03 и 0,05 соответственно равными пн ~ 0,027 и 0,03.

Таблица 3.4 - Результаты экспериментальных исследований максимальных значений коэффициентов шероховатости пн при безнапорном режиме работы СГМТ с натуральным гофром размером 125х25 мм с разными входными оголовками

Тип оголовка ¡т = 0,03 ¡т = 0,05

без оголовка 0,0268 0,0298

портальный 0,02694 0,0303

раструбный 0,02694 0,0301

Анализ табличных данных показывает, что полученные максимальные значения коэффициентов шероховатости пн СГМТ при безнапорном движении воды отличаются от значений пн при напорном движении. Например, в СГМТ с входом без оголовка при ¡т = 0,05 максимальный коэффициент шероховатости при безнапорном движении (пн = 0,0298) превышает (примерно на 6 %) коэффициент шероховатости при напорном движении (пн = 0,0281), то при ¡т = 0,03 наоборот: при напорном движении значение коэффициента шероховатости выше, чем при безнапорном движении (пн = 0,0268), хотя различие и небольшое (4,6 %). Помимо этого, если сопоставить значения коэффициента шероховатости при безнапорном движении в СГМТ с ¡т = 0,05 (пн = 0,0298 ~ 0,03), то оно больше, чем при напорном движении (см. п. 3.1.1.), а при ¡т = 0,03 их значения будут практически одинаковыми (пн ~ 0,027). Следовательно, экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что соотношение между коэффициентами шероховатости СГМТ при безнапорном и напорном движении зависит от уклона водопропускной трубы, причём значения коэффициентов гидравлического сопротивления в зависимости от ¡т при безнапорном движении могут быть как больше, так и меньше, чем при напорном режиме работы СГМТ.

В большинстве существующих рекомендаций сопротивления при безнапорном движении назначаются большими, чем при напорном движении (см. раздел 1.3). Так в 3-м издании справочника по гидравлическим расчетам водопропускных труб [106] предлагается при безнапорном движении принимать

значение п большим, чем при напорном движении, на 12 % вне зависимости от вида гофра и размера трубы, а в работе [113] увеличение принимается равным 11%. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что такая рекомендация может быть не только не точной, но и давать заметную ошибку.

При установке гладкого лотка на дне исследованной модели СГМТ экспериментальные точки со значениями коэффициентов шероховатости п при безнапорном движении воды и различных наполнениях трубы (где к0 -

нормальная глубина потока в трубе, d = dp = 23,2 см) группируются на экспериментальном графике (рис. 3.13) по уклонам трубы /т. Большему уклону /т соответствуют и большие значения коэффициента п при одинаковых наполнениях. С увеличением наполнения трубы коэффициент шероховатости увеличивается при обоих уклонах. Увеличение п происходит как при движении воды внутри гладкого лотка (при kо/d ~ 0. 0,25), так и при выходе ее на гофрированную часть трубы.

Рисунок 3.13. Коэффициент шероховатости модели СГМТ dp = 23,2 см с гладким лотком по дну без входного оголовка при безнапорном движении воды: 1 - /т =

0,05 и 2 - /т = 0,03

Возрастание значения п с выходом водного потока за пределы гладкого лотка объясняется большей шероховатостью гофра в сравнении с гладким лотком. С дальнейшим увеличением наполнения трубы происходит увеличение доли смоченной гофрированной поверхности и приводит к ещё большему увеличению коэффициента

шероховатости. Достигнув максимального значения при наполнениях hold ~ 0,55. 0,65, значения коэффициента n при больших наполнениях уменьшаются.

Установленное возрастание значений n с увеличением hold и уклона трубы /т при безнапорном движении водного потока внутри гладкого лотка согласуется с экспериментальными данными, которые получили Cox, Thornton, Beeby, изучавшие гидравлические сопротивления при безнапорном движении в гладкой трубе d ~ 91,5см (3 фут), выполненной из полиэтилена высокого давления NDPE при уклонах трубы /т = 0,0071; 0,0135 и 0,0197 [108]. Ими установлено, что с увеличением наполнения трубы до h0ld ~ 0,55.0,65 происходит возрастание значения n при каждом уклоне трубы до некоторого максимального значения, а при больших наполнениях значение n уменьшается. С увеличением /т значения коэффициента шероховатости при всех наполнениях увеличиваются.

Для исследованных уклонов трубы /т = 0,03 и 0,05 расчетные коэффициенты, полученные на модели СГМТ, можно принять соответственно равными пм ~ 0,0158 и 0,0173. В пересчете на натурный размер гофра коэффициенты шероховатости будут равны соответственно пн = 0,0207 и пн = 0,0226. Сравнивая полученные расчетные коэффициенты шероховатости при безнапорном движении водного потока в исследованной СГМТ с гладким лотком с полученными значениями коэффициентов шероховатости при напорном движении пн = 0,0234 видим, что при безнапорном движении значения коэффициентов шероховатости меньше, чем при напорном режиме движения воды в сооружении. Следует отметить, что при уклоне трубы /т = 0,05 различие небольшое (около 3,4%), но с уменьшением уклона оно возрастает, достигая 11,5% при /т = 0,03.

Подчеркнём, что в исследованиях этой же модели СГМТ без гладкого лотка по дну расчетное значение коэффициента шероховатости при безнапорном движении было больше, чем при напорном движении (при /т = 0,05) и они были довольно близки при /т = 0,03. Таким образом, устройство гладкого лотка по дну приводит к изменению соотношения между коэффициентами шероховатости при безнапорном и напорном движении воды.

Установленные в экспериментах значения коэффициентов шероховатости типизированной СГМТ - исследованной модели с d = 1,2 м со спиральным гофром 125х25 мм и гладким лотком по дну, занимающим 1/3 внутреннего периметра трубы (нижний сегмент трубы с центральным углом а = 1200), получены впервые. Поэтому не представляется возможным их сопоставить с существующими рекомендациями, поскольку не найдены опубликованные в мировой научно-технической литературе результаты экспериментальных исследований такого вида гофра. В зарубежных публикациях также отмечается недостаточность или даже отсутствие экспериментальных данных о гидравлических сопротивлениях СГМТ. В многочисленных справочниках по гидравлическим расчетам водопропускных труб из металлических гофрированных конструкций (МГТ и СГМТ) для нормального и спирального гофра размером 125х25 мм приводятся только рекомендации по назначению коэффициентов шероховатости при напорном движении водного потока в трубе без гладкого лотка по дну [93, 109]. Как отмечается в [8], эти рекомендации не обоснованы экспериментальными гидравлическими исследованиями, не имеют корректного расчётного подтверждения и дают существенную ошибку, не идущую в запас. Тем не менее, аналогичные конструкции, с соответствующим масштабом строительства, габаритами и требованиям безопасности и надёжности, использовались в качестве водопропускных сооружений на таких крупных объектах как МКАД, олимпийские объекты в Сочи, автодороги I категории и магистрали: Хабаровск-Ванино, М-4, М-7, «Кавказ».

Сопоставительный анализ работы МГТ и СГМТ при безнапорном движении воды показывает, что с установкой гладкого лотка по дну (рис. 3.14) в гидравлических условиях работы обеих конструктивных схем водопропускных сооружений видны схожие тенденции.

0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02 0,022 0,02^

Рисунок 3.14. Коэффициент шероховатости водопропускных труб из МГК без входного оголовка при безнапорном движении воды соответственно с /т = 0,05 и /т = 0,03: 1, 2 - для СГМТ с лотком по дну; 3, 4 - для СГМТ без лотка; 5, 6 - для

МГТ с лотком по дну

При установке гладкого лотка гидравлические сопротивления в гофротрубах, как при безнапорном, так и при напорном режиме работы сооружения, существенно снижаются. С ростом наполнения трубы И^ и с увеличением её уклона ¡т наблюдается возрастание значений п, как при движении воды в пределах гладкого лотка в СГМТ и МГТ, так и при переходе потока на гофрированную часть труб.

В общем, значение п в трубах с гладким лотком по дну и спиральной формой гофра получилась в экспериментах при соответствующем наполнении в 1,2.1,03 раза меньше по сравнению с МГТ с донным лотком. В целом значение коэффициента п при безнапорном движении в зависимости от уклона гофрированной трубы с гладким лотком по дну получается меньше соответствующих значений п при напорном режиме. И примерно в 1,25.1,4 раза значение п меньше значений п для гофротруб при отсутствии гладкого лотка на дне [8]. Однако при отсутствии гладкого лотка в трубах более ярко при безнапорном и напорном движении воды выражена зависимость между коэффициентом шероховатости п гофрированной трубы от значения её уклона [9].

Проведённые комплексные модельные гидравлические исследования работы СГМТ с гладким лотком по дну с модификациями входных оголовков, наиболее часто

встречающихся в практике гидротехнического строительства, работающих с безнапорным режимом транзитной части, позволили установить зависимость критического уклона от параметра расхода в (рис. 3.15).

а б

Рисунок 3.15. Зависимость критического уклона ¡к от параметра расхода в в СГМТ с гладким лотком по дну при безнапорном режиме = 23,2 см, ¡т = 0,02 и оголовком, срезанным по откосу: а - с выступом; б - без выступа

Выводы по главе 3

Выполненные модельные экспериментальные исследования гидравлического сопротивления в металлических гофрированных трубах с нормальной (МГТ) и спиральной формой гофра (СГМТ) с гладким лотком по дну и без него при разных режимах движения воды в водопропускных сооружениях позволяют сделать следующие выводы.

1. Значение коэффициента шероховатости в гофрированных металлических трубчатых сооружениях (СГМТ и МГТ) без гладкого лотка по дну при безнапорном движении может быть как больше, так и меньше чем при напорном движении в зависимости от уклона водопроводящей трубы (примерно на 10 %). Существующие в зарубежной практике рекомендации по определению коэффициента шероховатости в СГМТ дают заниженные результаты. Экспериментально установленное значение коэффициента шероховатости при напорном движении в СГМТ с диаметром 1,2 м и гофром 125х25 мм п = 0,028 заметно превышает рекомендуемое ЛТБТ для такой трубы значение коэффициента пн = 0,022. Для СГМТ с

гофром 68х13 мм значения п можно принимать для безнапорного и напорного движения по рекомендациям работы [117].

2. Наполнение СГМТ водопропускного сооружения влияет на значение коэффициента шероховатости п при безнапорном движении. При наполнениях Ьс/^ > 0,45 коэффициент шероховатости достигает максимального значения, которое и следует принимать в качестве расчетного.

3. С увеличением уклона СГМТ ¡т величина коэффициента шероховатости при безнапорном движении возрастает. Коэффициент шероховатости исследованной СГМТ с гофром 125х25мм без лотка при безнапорном движении следует принимать равным п = 0,0268, если ¡т < 0,03 и равным п = 0,03 при ¡т > 0,03. При одинаковых уклонах труб значение пн для натурной СГМТ при разных конструкциях входного оголовка практически не меняется.

4. Устройство гладкого защитного лотка по дну гофрированной трубы как со спиральной (СГМТ), так и с нормальной (МГТ) формой гофра, приводит к изменению соотношения между коэффициентами шероховатости при безнапорном и напорном движении воды в сооружении и существенному снижению значений коэффициента гидравлических сопротивлений.

5. При напорном движении воды в СГМТ и в МГТ с гладким лотком по дну коэффициент гидравлического сопротивления функционально связан со значением числа Рейнольдса Яе. Ели для МГТ при Яе > 350 000, то для СМГТ при Яе > 400 000 наступает квадратичная область, и значение коэффициента гидравлического сопротивления по длине Л перестаёт меняться.

6. В МГТ с гладким лотком по дну коэффициент Л достигает максимального значения (0,072), что соответствует коэффициенту шероховатости натурного гофра 130х32,5 мм пн = 0,0238. Для расчета коэффициента шероховатости при напорном движении могут быть использованы зависимости (1.1) и (3.1) при условии принятия показателя степени за скобкой в первой зависимости 0,48 (вместо 0,5), а во второй - 0,64 вместо (0,67) формула (3.2). Расчетные значения коэффициента шероховатости при этом оказываются соответственно равными 0,0242 и 0,0234, что близко к экспериментально установленному коэффициенту (пн = 0,0238).

7. Значение коэффициента шероховатости п при напорном движении потока, зависящее от наличия и размеров гладкого лотка, коэффициента шероховатости лотка и гофрированной поверхности трубы, для СГМТ может быть достаточно корректно определено по зависимости Нортона [93] (с коэффициентом шероховатости гофра пгофр = 0,028), в отличие от МГТ, для которой рассчитанное по данной зависимости значение п значительно меньшее, чем получается в экспериментах (см. раздел 3.1.1). При этом в обоих случаях влияние изменения шероховатости гладкого лотка в целом незначительно сказывается на натурном расчётном значении пн.

8. При безнапорном движении воды в трубе из МГК с гладким лотком по дну значение коэффициента шероховатости зависит от наполнения трубы и её уклона, увеличиваясь с ростом наполнения трубы и увеличением уклона лотка. Достигнув максимального значения при некотором предельном наполнении, коэффициент шероховатости при больших наполнениях или остается неизменным, или вначале не меняется, а потом немного уменьшается. С увеличением уклона трубы /т при безнапорном движении коэффициент шероховатости увеличивается при всех наполнениях.

9. Максимальное значение коэффициента шероховатости при безнапорном движении воды в натурной МГТ с гофром 130х32,5 мм и гладким лотком по дну, занимающим 33,3 % внутреннего периметра трубы, может быть установлено по зависимости (3.4).

При безнапорном режиме работы МГТ с гладким лотком по дну и расчетным заполнением на входе Ивх/^р = 0,75 с уклонами /т = 0,01.0,096 значение коэффициента шероховатости можно принимать одинаковым и равным пн = 0,019.

При работе МГТ с гладким лотком по дну в безнапорном режиме с заполнениями на входе Ивх/^р = 0,9. 1,0 коэффициент шероховатости в диапазоне изменения /т = 0,01.0,096 практически одинаков и может быть принят с небольшим запасом равным пн = 0,021.

10. При расчете значения критического уклона ¡к для МГТ и СГМТ с гладким лотком по дну следует учитывать зависимость значения коэффициента

шероховатости от наполнения трубы соответственно по графическим зависимостям (рис. 3.8 и 3.11). Значение критического уклона водопропускной МГТ диаметром й = 1м с натурным гофром 130х32,5 мм и расчетным заполнением на входе (Ьвх/йр = 0,75) следует принимать равным ¡к = 0,009 в исследованном диапазоне изменения уклонов ¡т = 0,01.0,096. Для СГМТ диаметром 1,2 м с гофром 125х25 мм значение ¡к можно найти по графической зависимости (рис. 3.15).

Определить ¡к для круглых труб из МГК с такой же формой гофра и диаметром, отличным от исследованного, можно по тем же графикам, но

найденный ¡к следует разделить на корень квадратный из диаметра , подставляя й в метрах, либо используя формулы Шези и Маннинга, рассчитать ¡к по рекомендациям [42].

11. Для исследованной СГМТ с й = 1,2м, гофром 125х25мм и гладким лотком по дну, занимающим 1/3 внутреннего периметра трубы, значение коэффициента шероховатости при безнапорном движении воды можно принимать пн = 0,0207 (при ¡т = 0,03) и пн = 0,0226 (при ¡т = 0,05), а при напорном - пн = 0,0234.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОДЕЛЕЙ ГОФРИРОВАННЫХ ТРУБ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ВОДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ

4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований водопропускных труб с нормальной формой гофра при дополнительном

защитном покрытии и без него

4.1.1. Безнапорный режим работы трубы с нормальным гофром

Эксперименты показали, что значение коэффициента расхода т, входящее в формулу (1.2) расчёта пропускной способности гофрированной трубы, работающей в безнапорном режиме, во всем исследованном диапазоне относительных напоров перед МГТ как с гладким лотком по дну, так и без него, практически не меняется. При наличии лотка на дне МГТ с заполнением на входе, не превышающем Ивх/йр = 0,75, гофрированные трубы работали в безнапорном режиме по типу «коротких», поскольку уклоны труб у всех моделей были больше критического уклона (¡к « 0,009 см. раздел 3.1.2) и сопротивления по длине не влияли на пропускную способность трубы. С увеличением расхода критический уклон увеличивался и один из исследовавшихся уклонов трубы (/т = 0,01) становился меньше критического. По экспериментальным данным заполнениям Ивх/йр = 0,75; 0,8; 0,85; 0,9; 0,95; 1,0 соответствуют параметры расхода в = 0,31; 0,34; 0,37; 0,4; 0,43; 0,46 и /к = 0,009; 0,0095; 0,01; 0,0113; 0,0121; 0,0123. Хотя при в > 0,37 (Ивх/йр > 0,85) значение критического уклона превышало уклон трубы ¡к > /т = 0,01, но модель МГТ продолжала работать по типу «короткой», поскольку формировавшийся в трубе гидравлический прыжок занимал отогнанное положение.

Для исследованных уклонов трубы /т = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 коэффициенты расхода МГТ с лотком по дну (рис. 4.1) можно принять постоянными и соответственно равными т = 0,37; 0,377; 0,381 и 0,385, что примерно на 10.12 % больше коэффициентов расхода, рекомендуемых ЦНИИС, для МГТ без гладкого лотка (см. п. 1.4.1).

в г

Рисунок 4.1. Коэффициент расхода т = f (Н/йр) для модели МГТ с гладким лотком

при безнапорном режиме работы с йр = 18,6 см, /т = 520 см: а - ¡т = 0,01; б - ¡т =

0,031; в - ¡т = 0,05; г - ¡т = 0,096

Можно считать, что значение коэффициента расхода практически не зависит от относительного напора Н/йр, в особенности при максимальных расходах, соответствующих Н/йр = 0,4.0,9. Изменение относительной длины трубы в исследованном диапазоне /т/йр « 22.28 практически не влияет на значение коэффициента расхода при постоянном уклоне трубы. С увеличением ¡т происходит небольшое увеличение коэффициента расхода. Влияние уклона гофрированной трубы ¡т на значение коэффициента расхода для МГТ с гладким лотком по дну, занимающим 1/3 периметра трубы, без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы, описывается линейной зависимостью

т = 0,37 + 0,15 ¡т.

(4.1)

Зависимость коэффициента расхода от уклона трубы можно объяснить тем, что изменение уклона приводит к изменениям условий входа потока в трубу. Изменения эти небольшие, поэтому почти десятикратное увеличение уклона ¡т (с

0,01 до 0,096) приводит к небольшому увеличению коэффициента расхода (приблизительно на 4%). Примерно такие же результаты были получены и в исследованиях ЦНИИС [2, 34, 46]. При уклонах гофрированной трубы без входного оголовка с /т = 0,01, 0,03 и 0,1 коэффициент расхода был соответственно равен m = 0,33, 0,34 и 0,35, т.е. численное увеличение коэффициента расхода практически такое же, как и в проведенных исследованиях.

4.1.2. Полунапорный режим работы трубы с нормальным гофром

В МГТ с лотком по дну смена режима от безнапорного к полунапорному на экспериментальной установке происходит плавно без скачкообразного изменения напора в верхнем бьефе или пропускаемого расхода, т.е. таким же образом, как у гладкостенных и гофрированных водопропускных труб без конструктивного оформления лотка (рис. 4.2).

Рисунок 4.2. Относительный напор НМ = /(в) для МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну при ~ 22 и /т = 0,05: 1, 2, 3, 4 - экспериментальные точки соответственно при безнапорном, полунапорном, частично-напорном и

напорном режимах

При этом движение воды в трубе наблюдалось такое же, как в МГТ без лотка, т.е. безнапорное без образования косых и стоячих волн, которые

формируются обычно в гладкостенных трубах. При всех исследованных уклонах трубы, кроме ¡т = 0,01, во всем диапазоне существования полунапорного режима уклон трубы ¡т > ¡к, поэтому в МГТ не формировался гидравлический прыжок.

При ¡т = 0,01 затопление входного оголовка (Ьвх/йр = 1,0) происходило при

параметре расхода 0 = ^ 5/ « 0,46 и ¡к = 0,0123. За сжатым сечением в трубе

/г

отчетливо просматривалась кривая подпора, в конце которой формировался гидравлический прыжок. Во всем небольшом диапазоне изменения Н/йр, в котором существовал полунапорный режим работы при ¡т = 0,01, гидравлический прыжок в трубе занимал отогнанное положение, поэтому она работала по типу «короткой» (рис. 4.3 а).

......................© - ........................

0 2 04 Об 0 8 1 0 1 2 0 2 0.4 0.6 0 8 1.0 1.2

а б

Рисунок 4.3. Относительный напор Н/йр = f (0) для МГТ с гладким лотком на дне при всех режимах работы йр = 18,6 см, /т = 520 см: а - ¡т = 0,01; б - ¡т = 0,031

Об этом же свидетельствует и постоянство коэффициентов ¡ло и е во всем диапазоне существования полунапорного режима (рис. 4.4). Граничное состояние полунапорного режима - «зарядка» трубы длиной /т = 414 см происходила при Н/йр = 1,23; 0 = 0,565; а длиной /т = 520 см - при Н/йр = 1,21; 0 = 0,542. Таким образом, изменение относительной длины в исследованном диапазоне /т/йр « 22.28 оказывает малое влияние на параметры потока, при которых происходит «зарядка» трубы.

а б

Рисунок 4.4. График зависимости H/dBH = f (0) (а) и коэффициента расхода jo = f

(H/dBH) (б) для модели МГТ с гладким лотком при полунапорном режиме работы:

dp = 18,6 см, 1т = 414 см, ¡т = 0,01 (s = 0,646)

На рисунках 4.4б, 4.5 - 4.7 для всех остальных исследованных моделей с разными значениями ¡т и 1т приведены соответственно графические зависимости H/dp = f (0), H/dp = f (00) и jUo = f (H/dj,), по которым установлены коэффициенты s и jo, необходимые для расчета пропускной способности МГТ с гладким лотком по дну при полунапорном режиме её работы по формуле (1.5).

а б

Рисунок 4.5. Относительный напор НШр = /(в) для МГТ с гладким лотком для всех режимов работы с dр = 18,6 см, 1т = 414 см: а - /т = 0,031; б - /т = 0,05

а б

Рисунок 4.6. Относительный напор Н/йр = f (Р2) для МГТ с гладким лотком при полунапорном режиме работы с йр = 18,6 см: а - ¡т = 0,031, /т = 520 см; б - ¡т = 0,05,

/т = 414 см

1.0 0.0 Об 0.4 0.2 0.0

цс

0 0

0.5

1.0

15 Н (1„

а б

Рисунок 4.7. Коэффициент расхода ¡о = f (Н/йр) для МГТ с гладким лотком при полунапорном режиме с йр = 18,6 см: а - ¡т = 0,031, /т = 520 см (е= 0,688; ¡о = 0,72); б -

¡т = 0,05, /т = 414 см (е= 0,662; ¡¡о = 0,71) Сопоставление значений коэффициентов е и ¡¡о, полученных при исследовании труб различной относительной длины (/т/йр « 22.28), при ¡т = 0,031 показывает, что они одинаковые (е = 0,69; ¡л = 0,72). Это свидетельствует о работе МГТ при этом уклоне по типу «короткой». При уклоне же трубы ¡т = 0,01 значения коэффициентов несколько различаются: при /т/йр « 22 - е = 0,646; цо = 0,66, а при /т/йр « 28 - е = 0,62; ¡л, = 0,64. Это свидетельствует о том, что при ¡т = 0,01 на пропускную способность трубы все же оказывали влияние сопротивления по длине трубы. Однако влияние это небольшое и можно считать их значения

практически не зависящими от длины трубы при /т = 0,01 и принимать равными

соответственно е = 0,62 и / = 0,64.

При полунапорном режиме по рекомендации ЦНИИС для МГТ без гладкого

лотка с уклоном /т = 0,01 е и / равны 0,63 и 0,56, а для исследованной МГТ с

гладким лотком по дну при таком же уклоне е = 0,62 и / = 0,64 (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Значения коэффициентов в и ¡0, рекомендуемых для расчёта МГТ в полунапорном режиме

Тип трубы Тип входного оголовка в ¡0

Гладкая (ЦНИИС) без оголовка со срезом перпендикулярным оси трубы 0,66 0,56

раструбный 0,79 0,69

портальный с конусами 0,79 0,65

МГТ без гладкого лотка без оголовка со срезом 0,63 0,56

при 1т = 0,01 (ЦНИИС) перпендикулярным оси трубы

МГТ без гладкого лотка 0,67 0,6

при /т = 0,03 (ЦНИИС)

МГТ без гладкого лотка 0,66 0,62

при /т = 0,1 (ЦНИИС)

МГТ без гладкого лотка раструбный *) 0,67 0,68

при 1т = 0,03 (ЦНИИС) (0,64) (0,65)

МГТ без гладкого лотка без оголовка со срезом 0,59 0,52

при 1т = 0,01 (ЦНИИС) параллельным откосу

МГТ без гладкого лотка портальная стенка 0,72 0,7

при /т = 0,03 (ЦНИИС)

МГТ с гладким лотком без оголовка со срезом 0,62 0,64

при /т < 0,031 (МАДИ) перпендикулярным оси трубы

МГТ с гладким лотком 0,66 0,71

при /т > 0,031 (МАДИ)

* В экспериментах ЦНИИС для раструбного оголовка получены коэффициенты в = 0,67 и ¡о = 0,68, но в справочнике [42] рекомендуется принимать в = 0,64 и ¡о = 0,65, приведенные в скобках

При больших уклонах МГТ /т = 0,05 и 0,096 значения рассматриваемых коэффициентов е и /о меняются незначительно и соответственно равны 0,662; 0,71 и 0,66; 0,715. Сравнивая их со значениями, полученными при /т = 0,031 (е = 0,69; / = 0,72) видим, что они довольно близки, но все же несколько различаются

(в большей степени коэффициент е). Это свидетельствует о том, что изменение ¡т всё же приводит к небольшим изменениям условий входа потока в трубу. Учитывая, что эти изменения небольшие, предложено принимать при ¡т > 0,031 значения коэффициентов е = 0,66; ¡о = 0,71 и считать их независящими от уклона трубы. При ¡т < 0,031 значения коэффициентов е и ¡о можно принимать, как и при ¡т = 0,01: е= 0,62 и ¡¡о = 0,64.

Анализ данных, приведённых в таблице 4.1, показывает, что при ¡т = 0,03 увеличение пропускной способности при установке лотка на дне МГТ за счет большего значения коэффициента расхода может составить ~ 18 % (по рекомендации ЦНИИС е = 0,67 и ¡¡о = 0,6, а по данным исследований МАДИ - е = 0,66; ¡¡о = 0,71), а при ¡т = 0,1 - около ~ 14 %. Таким образом, более точное назначение коэффициентов е и ¡о при расчете пропускной способности МГТ с гладким лотком по дну при полунапорном режиме позволяет увеличить её пропускную способность на 14.18 %.

При работе водопропускной трубы в полунапорном режиме в верхнем бьефе у входного оголовка формируются вихревые воронки переменной интенсивности с вихревым шнуром. Обычно на моделях МГТ с гладким лотком существовала одна вихревая воронка, которая периодически пропадала. При небольших относительных напорах перед трубой (Н/йвн < 1,4.1,5) воронки были небольшие и существовали непродолжительное время. Поэтому количество воздуха, поступавшего в трубу через вихревой шнур, было незначительным, не приводило к изменению давления в трубе, которое соответствовало атмосферному, и не оказывало заметного влияния ни на устойчивость полунапорного режима, ни на пропускную способность МГТ. Однако поскольку вихревая воронка часто захватывает плавающие в районе входного оголовка предметы и вовлекает их в водопропускную трубу, то желательно не допускать её формирования. Для исключения деформации отдельных конструктивных элементов МГТ или забивки её поперечного сечения мусором установки различных перегораживающих конструкций (ёеИеЙоге) недостаточно [2, 9]. Над входным оголовком дорожной трубы из МГК, запроектированной на работу в

полунапорном и напорном режимах, экспериментально подобраны специальные конструкции противовихревых устройств [124, 125]. Опорное крепление их имеет П-образную форму и соединено хомутом с входным оголовком МГТ.

В первом устройстве козырёк (рис. 4.8) выполнен из металла в виде плоской пластины в форме правильного шестиугольника, вписанного в окружность с радиусом, равным диаметру МГТ. При обтекании водным потоком шестиугольной пластины с острыми краями происходит дополнительная турбулизация потока, мешающая формированию воронки.

б

Рисунок 4.8. Противовихревое устройство дорожной МГТ [125]: а - продольный разрез; б - вид сверху; 1 - МГТ; 2 - шестиугольный козырёк; 3 - опорное

крепление; 4 - хомут Плотик второго плавающего устройства (рис. 4.9) имеет форму круга радиусом, равным диаметру МГТ, который устанавливается сверху на штыри. В центре плотика и на расстоянии три четверти его радиуса сделаны круглые отверстия диаметром на 1,0.2,0 см больше диаметра штыря.

С увеличением относительного напора перед трубой (H/dвн > 1,6) возрастали интенсивность формирования воронок и количество воздуха, поступавшего в МГТ, однако это также не оказывало заметного влияния на пропускную способность труб и устойчивость полунапорного режима.

б

Рисунок 4.9. Плавающее противовихревое устройство [124]: а - продольный разрез; б - вид сверху; в - поперечное сечение; 1 - МГТ; 2 - плотик; 3 -направляющие штыри; 4 - опорное крепление; 5 - хомут; 6 - отверстия диаметром на 1,0.2,0 см большим диаметра штыря 3; 7 - уровень воды в верхнем бьефе перед трубой; 8 - откос земляной насыпи

а

Отметим, что «зарядка» предварительно исследованной под руководством В.И. Алтунина модели МГТ без гладкого лотка с ¡т = 0,096; /т/йвн « 27; йвн = 19,35 см происходила при близких значениях относительного напора перед трубой Н/йвн = 2,21 и 0 = 0,93 к параметрам «зарядки», наблюдавшимся у исследованной модели МГТ с гладким лотком и таким же уклоном [4, 9]. Причем за сжатым сечением формировалась кривая подпора, отчетливо просматривавшаяся через полупрозрачную стенку модели трубы, однако оценить волнистый прыжок в конце кривой подпора не удалось. «Зарядка» происходила за счет касания потока свода трубы на расстоянии (2,6.5,2)йвн. Изменение относительной длины, в исследованных пределах (/т/йр = 22.28), на значение 0, при котором происходит «зарядка» трубы, не оказывает заметного влияния. С уменьшением уклона трубы

/т значение в уменьшается (рис. 4.10). Это можно объяснить тем, что при «зарядке» увеличивается нормальная глубина.

0,99 0,9 0,81 0,72 0,63 0,54 0,45 0,36 0,27 0,18 0,09 0

е

------ >

у\ 4

1

■ 2 Д3

□ 4 05

6 А 7 8

□ 9 10

■ 11

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

0

Рисунок 4.10. Параметры расхода в=_Д/т), при которых происходит самопроизвольная «зарядка» МГТ без оголовка со срезом, перпендикулярным оси трубы: 1 - 6 - опытные точки исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну при относительных длинах ¡тШр = 22 и 28; 7 - опытная точка исследованной в МАДИ модели МГТ без гладкого лотка относительной длиной ¡тШвн = 27; 8 - 11 -опытные точки исследованных ЦНИИС моделей МГТ без гладкого лотка при

¡т/dвн = 13,2. 26

Полученные результаты предварительных экспериментов хорошо согласовались с данными ЦНИИС, полученными при исследовании модели МГТ без гладкого лотка по дну с dвн = 19 см и аналогичной формой гофра (26х6,4 мм), приведенными на рисунке 4.10 и таблице 4.2. При /Т = 0,01 и относительной длине ¡ТШвн = 13,2 «зарядка» наступала при H/dвн & 1,37; в & 0,56, а при ¡т/dвн = 19,8 и 26,0 - при H/dвн & 1,28; в & 0,53. Труба относительной длиной ¡т/dвн = 19,8 с /Т = 0,1 «заряжалась» при H/dвн & 2,6; в & 0,96. Расчёты показывают, что такой уклон МГТ (на модели в МАДИ ¡Т = 0,096 при нормальной глубине к0 = 0,794dвн) в момент «зарядки» выше, чем значение критического уклона (критические

глубина hK = 0,9414вн и iK = 0,0778), что и не позволяет в МГТ сформироваться гидравлическому прыжку.

Таблица 4.2 - Основные параметры потока при работе МГТ в полунапорном режиме при «зарядке» трубы

Тип МГТ Тип оголовка ¿т H/dp ho/dp в hk/dp

МГТ с без оголовка со 0,05 2,145 0,735 0,953 0,945 22

гладким лотком срезом 0,031 1,796 0,77 0,833 0,915 22

по дну перпендикулярным 0,031 1,715 0,76 0,815 0,908 28

(МАДИ) оси трубы 0,01 1,23 0,9 0,565 0,785 22

0,01 1,21 0,87 0,542 0,77 28

0,096 2,204 0,65 0,988 0,952 28

МГТ без без оголовка со

гладкого лотка срезом 0,096 2,21 0,794 0,933 0,941 27

по дну (МАДИ) перпендикулярным оси трубы

МГТ без без оголовка со 0,1 2,6- - 0,96- - 19,8

гладкого лотка срезом 2,86 1,0

по дну (ЦНИИС) перпендикулярным 0,03 1,62 - - - 19,8

оси трубы 0,01 1,28 - 0,53 - 19,8

0,01 1,28 - 0,53 - 26

без оголовка со

срезом 0,01 1,37 - - - 19,8

параллельным

откосу

раструбный 0,03 1,4 - - - 19,8

портальная стенка 0,03 1,4 - - - 19,8

При установке гладкого лотка «зарядка» в МГТ с подобными параметрами происходит при H/dp = 2,204 и в ~ 0,988. То есть наличие гладкого лотка практически не оказывает заметного влияния ни на значение относительного напора, ни на параметр расхода, при которых происходит «зарядка». При этом гладкий лоток уменьшает сопротивления, испытываемые водным потоком, поэтому уменьшается нормальная глубина (h0 = 0,6514р), а критическая глубина практически не меняется (hK = 0,9524,).

Такие же условия формируются и в МГТ с гладким лотком по дну при ¿т = 0,031; 0,05 и 0,096, у которых значение критического уклона при «зарядке» соответственно составляет ¿к = 0,0236; 0,0343 и 0,0477.

При укладке трубы с уклоном ¿т = 0,01 в МГТ с лотком по дну «зарядка» трубы происходит уже при небольших затоплениях входного оголовка (с /т/4р « 22 при H/dp = 1,23; в = 0,565, а с /т/4р « 28 при Н/4р = 1,21; в = 0,542), при этом значение ¿к было около 0,0125, т.е. уклон МГТ был меньше критического, что позволяло в ней сформироваться гидравлическому прыжку.

Так же можно констатировать, что с увеличением ¿т возрастают параметры потока, при которых происходит «зарядка» трубы. МГТ с уклоном ¿т = 0,031, при относительной длине /т/4р « 22 «заряжается» при Н/4р = 1,796; в = 0,833, а относительной длиной /т/4р « 28 при Н/4р = 1,715; в = 0,815. Труба с ¿т = 0,05 относительной длиной /т/4р « 22 «заряжается» при Н/4р = 2,145; в = 0,953. При максимальном ¿т = 0,096 и относительной длине /т/4р « 28 «зарядка» МГТ происходила при Н/4р = 2,2; в = 0,988. Как можно видеть в таблице 4.2, при ¿т = 0,05 и ¿т = 0,096 «зарядка» МГТ наступает при близких параметрах расхода в, соответственно равных 0,953 и 0,988.

Таким образом, в исследованных моделях как при отсутствии, так и при наличии лотка по дну влияние относительной длины МГТ в исследованном диапазоне 1т/4р ~ 22.28 на параметр h0/dp оказалось небольшим (соответственно границы изменения h0/dp ~ 0,87.0,65). Для МГТ с гладким лотком по дну с ¿т = 0,01; 0,031; 0,05; 0,096 в момент «зарядки» относительные критические глубины соответственно равны: h^ ~ 0,77.0,785; 0,908.0,915; 0,945; 0,952 (меньшее значение ^/4р соответствует 1т/4р ~ 28, а большее - 1т/4р ~ 22).

Проведенные в МАДИ экспериментальные исследования не подтверждают, что наличие гладкого лотка приводит к значительному увеличению значений относительного напора Н/4р. Поэтому существующая методика, разработанная ЦНИИС [42] и базирующаяся на обратном предположении, может дать некорректный расчётный результат. Параметры потока при «зарядке» трубы следует устанавливать не по Н/4р, а по параметру расхода в, используя предлагаемую графическую зависимость в = /(¿т) для МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну и при его отсутствии.

Таким образом, проведенные эксперименты свидетельствуют, что МГТ с гладким лотком по дну можно проектировать на пропуск расчетного расхода в полунапорном режиме. Кроме того, при этом существенно возрастает пропускная способность МГТ. Например, исследованная модель МГТ с гладким лотком по дну при /т = 0,05 и работе в безнапорном режиме с максимально допустимым заполнением на входе 0,75d пропускает расход, соответствующий в ~ 0,32, а при работе в полунапорном режиме с H/d ~ 1,5 эта же модель пропускает расход, отвечающий в ~ 0,72, т.е. увеличение пропускной способности МГТ составляет: 0,72/0,32 = 2,25.

4.1.3. 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 ¡к 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.

0.2 0.4 0.6 0 8 1.0 1.2 1.4 Рисунок 4.11. График зависимости ИШр = f (в) для МГТ с гладким лотком с = 18,6 см, /т = 0,096, /т = 520 см для всех режимов работы

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: ИШ ~ 1,6 при /т = 0,031 и ИШ ~ 1,35 при /т = 0,05.

H/dp

4

2

3

Рисунок 4.12. Исследованная модель МГТ при частично-напорном режиме с

концевым безнапорным участком

Для каждой из исследованных моделей с увеличением параметра расхода в характер уменьшения относительной длины ¡^р 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 взар 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 в = 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 ¡к^р = Дв) 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.

25

20

15

10

Л

\

\

, о ж

г* ж

0,5

0,6

0,7

0,9

1,1

1,2

1,3

О 1 □ 2 Д 3 X 4 О 5

в

1,4

Рисунок 4.13. Относительная длина концевого безнапорного участка ¡кШр = /(в) для исследованных моделей МГТ с гладким лотком по дну: 1, 2, 3, 4 - МГТ без входного оголовка соответственно при уклонах /т = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096; 5 -МГТ с входным оголовком - «портальная стенка» при /т = 0,05

5

0

1

Изменение значения ¡к/^ происходит по кривой, на которой можно выделить граничное значение параметра расхода вгр, до которого значения ¡^р резко уменьшаются примерно до ¡^р ~ 1,3, а после его достижения происходит плавное снижение значений ¡к/^ 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 /т = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 приведены на рисунке 4.14. Для расчёта МГТ, укладываемых с уклоном /т < 0,05, значение вгр можно найти и по формуле

вгр = 0,78 + 2,3&'т. (4.2)

1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 ¿т

Рисунок 4.14. Граничные значения параметра расхода вгр=/(¡т) при смене частично-напорного режима на напорный для исследованных моделей МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну

Если «зарядка» МГТ

наступает при взар < вгр (где взар — параметр расхода, при котором происходит «зарядка» МГТ), то водопропускное сооружение из МГК работает с достаточно большой длиной концевого безнапорного участка. Значение 1к 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 /т = 0,05 показали, что уменьшение параметра расхода в 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 взар, при которых происходит «зарядка» МГТ без входного оголовка с гладким лотком по дну в зависимости от её уклона [5, 6]. Для уклонов ¡т = 0,01; 0,031; 0,05 и 0,096 их значения соответственно равны: взар ~ 0,542.0,565; 0,815.0,833; 0,953 и 0,988.

л

ж——1

▼

Если взар > вгр, то после «зарядки» МГТ работает в частично-напорном режиме с небольшой длиной концевого безнапорного участка.

Значение параметра расхода при «разрядке» вразр, для входов без оголовка и с портальной стенкой близко к 0,82 и 0,685 соответственно. Такое различие объясняется влиянием вихревой воронки, формирующейся над входом без оголовка и обеспечивающей срыв частично-напорного режима. Портальная стенка препятствует формированию вихревой воронки и поэтому срыв происходит при длине концевого безнапорного участка достаточно близкой к полной длине трубы Iк/йр > 20,3 (относительная длина исследованной модели МГТ составляла ¡Т/йр = ГГ).