Напорные, частично-напорные и полунапорные трубы. Особенности работы. Формулы расхода.

Гидравлическая работа дорожной водопропускной трубы в общем случае определяется следующими факторами: Конструктивными особенностями трубы: а) формой входного оголовка, наличием и степенью планового сжатия потока перед трубой; б) размерами и формой трубы, а в определенных случаях – ее уклоном, шероховатостью и длиной; в) формой выходного оголовка, наличием гасящих устройств и степенью расширения потока за трубой.

Параметрами потока: а) расходом воды; б) положением горизонта воды в нижнем бьефе.

В зависимости от сочетания этих факторов возможны следующие режимы работы дорожной водопропускной трубы. Безнапорный режим – существует при условии, что входной оголовок не затоплен (со стороны верхнего бьефа в трубу поступает воздух), и поток в трубе движется со свободной поверхностью. При безнапорном режиме водопропускная труба работает аналогично водосливу с широким порогом. В том случае, когда длина трубы и ее шероховатость не оказывают влияния на пропускную способность трубы (это наблюдается при незатопленном сечении с критической глубиной hк на входе, рис. 1), она работает в гидравлическом отношении как “короткая”. В противном случае трубу считают “длинной” (∆hп>0). Одна и та же труба может работать в гидравлическом отношении и как “короткая”, и как “длинная”, в зависимости от ее уклона. Если положение горизонта воды в нижнем бьефе оказывает влияние на пропускную способность трубы, то она считается подтопленной с нижнего бьефа, в противном случае труба неподтопленная. Подтопление “короткой” трубы наступает в момент, когда затапливается сечение с критической глубиной на входе (∆hп>0). “Длинная” труба работает как подтопленная, если изменение глубины потока в нижнем бьефе сказывается на величине ∆hп. С увеличением расхода при безнапорном режиме увеличивается напор Н перед трубой. При Н=(1,1-1,3)d (в зависимости от конструкции входного оголовка) происходит затопление входного оголовка, но поток в трубе движется со свободной поверхностью. Такой режим называется полунапорным. Труба при этом работает аналогично случаю истечения из-под щита. Пропускная способность трубы при полунапорном режиме определяется только условиями движения потока на входном участке, т.е. конструкцией входного оголовка, а также наличием и степенью планового сжатия потока перед трубой. При полунапорном режиме в момент, когда поток касается свода трубы на любом ее участке (в зависимости от конструкции входного оголовка, длины и уклона трубы), происходит “зарядка”, и труба начинает работать напорно, режим называется напорным. Если горизонт воды в нижнем бьефе затапливает выходное отверстие более чем на η∙d, тогда труба работает как подтопленная, и режим называется напорным затопленным. При полунапорном и напорном режимах перед трубой периодически формируются вихревые воронки и через них в трубу попадает воздух. При полунапорном режиме это не оказывает влияния на устойчивость режима и пропускную способность трубы, поскольку давление в трубе при этом не меняется (равно атмосферному), а уменьшение расхода за счет замещения воды воздухом небольшое. Если же режим напорный, то у свода трубы вакуумметрическое давление. Попадающий воздух снижает его (давление увеличивается), и пропускная способность трубы уменьшается. Может произойти и отрыв потока от стенок: формируется гидравлический прыжок, и если прыжок выскочит из трубы, то она разряжается и начинает работать в полунапорном режиме. Поскольку пропускная способность гладкостенных труб при полунапорном режиме ниже, чем при напорном, напор Н после срыва напорного режима возрастает. Таким образом, вихревые воронки, самопроизвольно формирующиеся перед трубой, нарушают устойчивую работу в напорном режиме и могут даже привести к его срыву. Учитывая это, при проектировании трубы на работу в напорном режиме необходимо предусматривать установку противовихревых устройств в верхнем бьефе перед трубой. На рис. 1 и 2 приведены расчетные зависимости по определению пропускной способности трубы при различных режимах. Значения коэффициентов расхода в этих формулах для безнапорного режимов назначают по рекомендациям справочников, а для напорного – рассчитывают по приведенной формуле, принимая рекомендуемые значения коэффициентов сопротивлений. Увеличивая подаваемый расход, последовательно устанавливают безнапорный, полунапорный и напорный режимы. Расход подсчитывается по формуле: , где m – коэффициент расхода; b – ширина водослива (b=25 см); Н – напор над гребнем мерного прямоугольного водослива. Горизонты воды в верхнем и нижнем бьефах фиксируются мерными иглами. Измеренные параметры заносятся в таблицу 1. вихревые воронки, формирующиеся на модели, существенно слабее, чем в натуре, поскольку явление вихреобразования не моделируется. Учитывая это, при напорном режиме следует использовать полную трубу. Один конец этой трубки выводится в дорожную трубу (на входной участок), другой конец имеет выход в атмосферу (рис. 2). По замеренным параметрам рассчитываются коэффициенты расхода: Безнапорный режим. Для расчета m помимо Q и H необходимо знать величину bк, которую следует определять по графику (рис. 4). Полунапорный режим. В расчетную формулу входит коэффициент ε, измерить который в одном опыте или рассчитать нельзя. Поэтому принимаем его для портального входного оголовка по нормативным данным, равным ε = 0,79.

Напорный режим. Коэффициент η можно принимать постоянным, не зависящим от расхода и равным. η = 0,85.