УЧАСТОК СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ КОСОГОРНЫХ ТРУБ "ВИНКЛ" Российский патент 2005 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для уменьшения волнообразований, возникающих при сужении быстротоков на входных участках косогорных водопропускных труб, и может быть использовано в дорожно-транспортном, железнодорожном, гидротехническом и других отраслях строительства.

Необходимость указанного воздействия на бурный поток (то есть при числах Фруда, больших единицы) обусловлена тем, что при его сужении для ввода в водопропускную косогорную (уложенную с уклоном, большим критического) трубу в местах излома боковых стенок на его свободной поверхности возникают косые волны, которые в месте их пересечения часто образуют продольные гребни, глубина в которых во много раз (до 10 и более) превышает глубину подводимого потока. Наличие такого образования затрудняет или делает невозможным эксплуатацию трубы либо требует устройства повышенных начальных ее звеньев, что удорожает строительство, приводит к увеличению минимальной высоты дорожной насыпи и к рискованной ситуации при пропуске такого потока через дорожную трубу [1].

Известно устройство, в котором участок сужения бурного потока сопрягается с водопропускной трубой переходным участком, на дне которого устраиваются поперечные ребра или решетки [2]. Их назначение - погасить кинетическую энергию потока и уменьшить волнообразования.

Недостатки данного устройства:

1. При больших скоростях течения ребра подвергаются кавитационной эрозии и истиранию переносимыми частицами грунта;

2. При пропуске нерасчетных расходов, то есть в подавляющую часть времени работы трубы, межреберные пространства будут заиливаться и забиваться различным мусором, что может привести к полному их заполнению. В этом случае они будут выключены из работы при прохождении расчетного расхода. Тогда волнообразования и продольный гребень не будут погашены со всеми вытекающими из этого последствиями.

ПРОТОТИПОМ, более близким по цели к предлагаемому изобретению, является устройство в углах самого участка сужения примазок [1], которые должны были бы устранить набегание потока на торец трубы при входе в нее за счет более плавного перехода от ломаного (прямоугольного или трапецеидального) сечения к круговому. Угловые примазки просты в изготовлении, но как показывают результаты исследования их работоспособности, не могут удовлетворить требованиям:

- погасить волнообразования;

- устранить продольные гребни;

- обеспечить плавный вход бурного потока в трубу.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в устранении вышеназванных недостатков, что приводит к повышению экономичности строительства таких массовых объектов, как водопропускные косогорные трубы, к повышению надежности их эксплуатации, а также к предотвращению размывов входных участков труб. Размывы входных участков могут привести к выносу труб, размыву дорожной насыпи и перерыву в пропуске транспортных средств.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве соединения проводящего быстротока ломаного сечения прямоугольного или трапецеидального с отводящей косогорной трубой круглого или эллиптического сечения, включающим участок сужения с плоским дном и ломаными боковыми стенками, введен между участком сужения и входом в косогорную трубу участок сопряжения длиной 1-2 диаметра сопрягаемой трубы, боковые поверхности и дно которого выполнены с учетом параметров подводимого потока в соответствии с выражениями:

y_j=y_j(x);

z_j=z_j(x),

y_J(x)=0,5b₁[1+x⁵(λ-1)(21-35x+15x²)],

λ=2y_k;j/b₀.

z_j(x)=z_0;j-i₀x+x³[4(z_k;j-z_0;j)+3i₀]-3x⁴[2i₀-i_тр+(z_k;j-z_0;j);

где y_j - текущая поперечная координата боковой стенки;

х - продольная координата, отсчитываемая от начального сечения участка сопряжения;

z_j - текущая вертикальная координата боковой стенки;

α_j - центральный угол между лучом, проведенным из центра сечения трубы к линии тока, и вертикалью;

h₀ - глубина потока по оси в начальном сечении сопрягающего участка;

b - ширина концевого сечения участка сужения, которая является начальной шириной сопрягающего участка;

V₀ - средняя скорость в начальном сечении сопрягающего участка;

r - радиус трубы;

J - число разбиений;

V_k - средняя скорость в концевом сечении сопрягающего участка;

y_k;j – значение y_j в концевом сечении сопрягающего участка;

d - диаметр сопрягаемой трубы (d=2 r);

в₁ - ширина потока поверху в концевом сечении сопрягающего участка;

в₀ - ширина сопрягающего участка в начальном сечении;

i₀ - уклон быстротока;

i_тр - уклон трубы;

β - угол наклона дна быстротока к горизонту;

z_0;j - значение z_j в начальном сечении сопрягающего участка;

z_k;j - значение z_j в концевом сечении сопрягающего участка.

Указанные отличительные признаки дают возможность получить участок сопряжения с плавным переходом от формы некругового сечения к форме кругового сечения, что позволяет обеспечить плавный вход бурного потока в трубу, а в результате устранить размывы входных участков труб, продольные гребни, удар высокоскоростного потока в торцевую часть места соединения входного участка с дорожной трубой, который неизбежно возникает при несовпадении форм сечений быстротока и трубы, а также погасить волнообразования.

Подобных технических решений, известных из уровня техники, авторами не обнаружено, поэтому делаем вывод, что, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию “новизны”.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 представлена схема размещения участка сопряжения в системе быстроток-участок сужения-косогорная труба. На фиг.2 показана конструкция примазок [1, с.108-109]. На фиг.3 представлены система координат и параметры боковой поверхности сопрягающего участка. На фиг.4 показаны параметры начального и концевого сечения сопрягающего участка; на фиг.5 представлена схема сопрягающего участка; на фиг.6 - торцевая область входа в косогорную трубу; на фиг.7 представлено фото модели предлагаемого сопрягающего участка; на фиг.8 - фото работы входной части косогорной трубы с использованием предлагаемого участка сопряжения. На фиг.9 - фото работы участка сужения, выполненного с “примазками” (прототип).

Предлагаемое устройство выполнено следующим образом. В конструкцию соединений разнопрофильных участков водопропускных сооружений (например, подводящего быстротока с прямоугольной или трапецеидальной формой поперечных сечений) и дорожной водопропускной трубой (кругового или эллиптического сечения) включен дополнительный участок сопряжения 1 (фиг.1), длиной, равной одному - двум калибрам трубы, который соединяет выходную часть 2 участка сужения 3 быстротока 4 с входным звеном косогорной трубы 5, причем боковые его стенки плавно деформируют форму поперечного сечения участка сопряжения, переходя от формы концевого сечения 2 участка сужения (обычно прямоугольная, трапецеидальная и т.п.) до формы сечения водопропускной трубы 5 (круговая, эллиптическая и т.п.). Боковые стенки и дно участка сопряжения выполнены с учетом параметров потока и в соответствии с выражениями (1)-(6). В частности, их конфигурация определяется системой двух уравнений

y_j=y_j(x),

в которых y_j(х) есть уравнение плана, a z_j(х) - уравнение продольного профиля боковых (граничных) линий тока, совокупность которых образует указанную поверхность.

Здесь y - поперечная координата, z - вертикальная координата, х - продольная координата, отсчитываемая от начального сечения участка сопряжения. Линии тока должны удовлетворять краевым условиям y_j|_x=0=y_0j и z_j|_х=0=z_0j, а также y_j|_x=X0=y_kj и z_j|_x=X0=y_kj. Эти условия поясняются на фиг.2 и 3. Боковые линии тока определяются дискретно с шагом Δh₀=h₀/J по оси z в начальном сечении (J - число разбиений). Тогда

z_0;1=0,0; z_0j=-Δh₀(j-1) при j=1-J,

а соответствующие им значения

z_k;J=z_k1-h_k;

z_kj=z_k;(j-i)+Δh_k,(j-i) при j=1-J,

где h₀ и h_k - глубина по оси потока в начальном (х=0) и концевом (х=Х₀) сечениях сопрягающего участка,

b₁ - ширина потока поверху в концевом сечении (х=Х₀);

α_j - корень уравнения (2);

где j=1-11;

y_k;1=0,5b₁;

y_k;J=0;

V₀ - средняя скорость в начальном сечении;

V_k - средняя скорость в концевом сечении.

При этих исходных данных планы боковых линий тока выражаются зависимостью

где

Продольные профили этих же линий тока определяются формулой

где i₀=tgβ; i_тр - уклон трубы; β - угол наклона дна быстротока к горизонту.

На фиг.4 схематично изображен в качестве примера участок сопряжения сужающего участка 1, имеющего плоское дно 2, ломаные боковые стенки 3 и прямоугольную форму поперечных сечений 4, с косогорной трубой 5 кругового сечения.

Устройство имеет входное прямоугольное сечение 6 и круговую форму выходного сечения 7. Так как глубина в трубе при пропуске бурных потоков обычно ограничивается половиной ее диаметра, форма концевого сечения представляет собой (в данном случае) полукруг (см. фиг.5). Если по каким-либо соображениям потребуется принять большую или меньшую глубину, то и выходное сечение 7 будет представлять собой часть круга (то есть входного отверстия трубы), заполненную потоком. На расстоянии 1-2 калибров труба (L₀=(1-2)d) боковые стенки участка сужения плавно деформируются при выполнении условий и в соответствии с выражениями (1)-(6). Модель участка сопряжения представлена на фиг.6. Поскольку по нормам глубина воды в косогорной трубе на должна превышать ее радиуса, во время опытов использовалась лишь нижняя часть модели трубы для облегчения наблюдения и измерения пропускаемого потока.

Устройство работает следующим образом. Бурный поток (см. фиг.4) при ширине быстротока (4), как правило, превышающей диаметр трубы, сужается сужающим участком 1. Часто он имеет плоское дно 2, а сужение достигается ломаными боковыми стенками 3. При этом в местах излома боковых стенок возникают косые волны (косые гидравлические прыжки), которые, соударяясь на оси потока, образуют продольный гребень. Без предлагаемого участка сопряжения этот гребень проникает непосредственно в трубу, а часто по высоте и превосходит ее размеры. Наличие участка сопряжения с ломаными боковыми стенками приводит к такому силовому воздействию на бурный поток, которое заставляет его под действием реакций стенок и центробежных сил трансформироваться так, что он плавно входит в косогорную трубу без значительных волнообразований.

Изложенное подтверждается фотографиями, приведенными на фиг.7 и 8. На фиг.8 показано фото потока на входе в косогорную трубу с использованием участка сужения с применением “примазок”. Совершенно отчетливо видно образование мощного продольного гребня значительной высоты. На фиг.7 приведено фото свободной поверхности при пропуске через то же сооружение того же расхода, но при установке участка сопряжения. Видно, что продольный гребень отсутствует, а нежелательные волнообразования им погашены.

Изобретение позволяет повысить экономичность и надежность функционирования косогорных труб при пропуске бурных потоков, унифицировать эти устройства и широко их использовать в дорожно-транспортном, гидротехническом и гидромелиоративном строительстве.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений. / Под ред. Г.Я.Волченкова. М.: Транспорт. 1992. 408 с.

2. Авторское свидетельство СССР, №707876. Лесосплавной лоток. Гальперин Р.С., Красиков Е.Т., Шаталов М.Л. Опубл. Б.И. 1980. №1. С.86.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для уменьшения волнообразований, возникающих при сужении быстротоков на входных участках косогорных водопропускных труб. Участок сопряжения для косогорных труб для соединения подводящего быстротока ломаного сечения: прямоугольного или трапецеидального, с отводящей косогорной трубой кругового или эллиптического сечения включает участок сужения с плоским дном и ломаными боковыми стенками. Между участком сужения и входом в косогорную трубу введен сопрягающий участок длиной, равной 1-2 диаметрам сопрягаемой трубы, боковые поверхности и дно которого выполнены с учетом параметров подводимого потока и размерами сопрягаемых элементов. Изобретение обеспечивает устранение волнообразований, повышение надежности эксплуатации водопропускных косогорных труб и повышение экономичности при их строительстве. 9 ил.

Участок сопряжения для косогорных труб “ВИНКЛ” для соединения подводящего быстротока ломаного сечения: прямоугольного или трапецеидального, с отводящей косогорной трубой кругового или эллиптического сечения, включающий участок сужения с плоским дном и ломаными боковыми стенками, отличающийся тем, что между участком сужения и входом в косогорную трубу введен сопрягающий участок длиной, равной 1-2 диаметрам сопрягаемой трубы, боковые поверхности и дно которого выполнены с учетом параметров подводимого потока и в соответствии с выражениями:

y_j=y_j(x);

z_j=z_j(x);

y_J(x)=0,5b₁[1+x⁵(λ-1)(21-35x+15x²)];

λ=2y_k;j/b_0;

z_j(x)=z_0;j-i₀x+x³[4(z_k;j-z_0;j)+3i₀]-3x⁴[2i₀-i_тр+(z_k;j-z_0;j)];

где y_j - текущая поперечная координата боковой стенки;

х - продольная координата, отсчитываемая от начального сечения сопрягающего участка;

z_j - текущая вертикальная координата боковой стенки;

α_j - центральный угол между лучом, проведенным из центра сечения трубы к линии тока, и вертикалью;

h₀ - глубина по оси потока в начальном сечении сопрягающего участка;

b - ширина концевого сечения участка сужения, которая является начальной шириной сопрягающего участка;

V₀ - средняя скорость в начальном сечении сопрягающего участка;

r - радиус трубы;

J - число разбиений;

V_k - средняя скорость в концевом сечении сопрягающего участка;

y_k;j – значение y_j в концевом сечении сопрягающего участка;

d - диаметр сопрягаемой трубы (d=2r);

b₁ - ширина потока поверху в концевом сечении сопрягающего участка;

b₀ - ширина сопрягающего участка в начальном сечении;

i₀ - уклон быстротока;

i_тр - уклон трубы;

β - угол наклона дна быстротока к горизонту;

z_0;j - значение z_j в начальном сечении сопрягающего участка;

z_k;j - значение z_j в концевом сечении сопрягающего участка.