Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов водоотведения с автомобильных дорог и конструкции входных участков водоотводящих лотков 11
1.1. Схемы отвода воды с поверхности автомобильных дорог 12
1.2. Элементы систем водоотвода с поверхности автомобильных дорог, эволюция их развития 16
1.3. Анализ конструктивных особенностей входных участков систем водоотвода с проезжей части автомобильных дорог 20
1.4. Анализ проблем использования существующих конструкций откосных лотков и концевых устройств 30
1.5. Постановка и обоснование задачи исследования 36
ГЛАВА 2. Разработка конструкции и метода расчета входного участка системы водоотведения автомобильных дорог 41
2.1. Дополнительное обоснование подхода к разработке новой конструкции входного участка 41
2.2. Плановая конфигурация новой конструкции входного участка 42
2.3. Разработка метода гидравлического расчета входного участка 49
2.4. Алгоритм и программа расчета геометрических параметров входного участка и координат свободной поверхности потока и дна в его координатах 67
ГЛАВА 3. Расчет конфигурации новой конструкции входного участка системы водоотведения 71
3.1. Расчет геометрических параметров входного участка предлагаемой конструкции 71
3.2. Определение расчетного расхода и расчетных параметров входного участка 76
3.3. Результаты расчета на ПЭВМ координат дна входного участка и координат свободной поверхности потока в его пределах з
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования работы входных участков 107
4.1. Обоснование условий гидравлического моделирования работы входного участка 107
4.2. Цель и задачи экспериментальных исследований 109
4.3. Описание экспериментальной установки ПО
4.4. Методы изготовления пространственной модели входного участка 112
4.5. Измерительная аппаратура 116
4.6. Результаты исследования формы свободной в пределах поверхности модели входного участка 116
4.7. Анализ полученных экспериментальных данных 123
4.8 Рекомендации производству 127
Список литературы 131
- Элементы систем водоотвода с поверхности автомобильных дорог, эволюция их развития
- Плановая конфигурация новой конструкции входного участка
- Определение расчетного расхода и расчетных параметров входного участка
- Методы изготовления пространственной модели входного участка
Элементы систем водоотвода с поверхности автомобильных дорог, эволюция их развития
Гидравлический расчет потока в пределах телескопического откосного лотка был выполнен проф. Б.Ф. Перевозниковым в предположении о плавноизменяющемся течении потока в нем, что является слишком грубым предположением. Такой расчет привел к утешительному результату, согласно которому скорость в концевом сечении была равна всего 1,8 м/с. На самом деле поток в телескопическом лотке последовательно подвержен периодическому сжатию, последующему внезапному расширению и падению с уступа. Модель такого потока не удовлетворяет условиям применимости модели плавноизменяющегося потока. Скорее к ней применима модель протекания через непрерывную череду местных сопротивлений, оказывающих влияние друг на друга.
В связи с возникающими сомнениями, а также данными о частых случаях подмывов телескопических лотков, в лаборатории гидравлики были выполнены исследования их работоспособности в масштабе 1:5. Подробности приведены в публикациях [72, 87]. Проиллюстрируем сказанное следующими данными. На рисунках 1.22, 1.23 и 1.24 приведены продольные сечения потока по оси телескопического лотка из блоков Б-6 (масштаб модели 1:5) [72, 87] и поперечные сечения потока. Рисунок 1.22. Продольный профиль по оси сооружения из блоков Б-6
Видно, что помимо чередующихся расширений и сужений бурного потока, сопровождающихся образованием косых волн, поток движется вниз подобно тому, как он двигался бы по многоступенчатому перепаду. То есть его движение сопровождается отрывом от конца блока, отлетом от него на некоторое расстояние с образованием «пузыря» на следующем блоке. Увеличение протяженности пузырей свидетельствует о саморазгоне потока (из-за уменьшения сопротивления трения под «пузырем») и увеличении скорости в конце откосного лотка. Это обстоятельство обнаружено и описано в [64, 72, 87], а данные Б.Ф. Перевозникова [54] оказались в значительной степени занижены. С учетом полученных данных о действительном характере течения потока по телескопическому лотку авторы исследований [72, 87] не рекомендуют эту оригинальную конструкцию к использованию. Взамен этому предлагается применять откосные лотки из гофрированных полутруб , течение на которых является плавноизменяющимся, а гофры труб выступают в роли повышенной шероховатости, что способствует уменьшению скорости течения воды по лотку. С этим предложением следует согласиться.
В этом случае для сопряжения входного участка, имеющего прямоугольную форму в концевом сечении с откосным лотком с круговым (полуциркульным) сечением, в [72, 87] предложено использовать переход ВИНКЛ [72, 87] изображенный на рисунках 1.25 и 1.26. прямоугольное сечение на входе круговое сечение на выходе в участок ВИНКЛ Есть основания полагать, что эта проблема достаточно надежно решена, как и задача перевода отводимого потока через берму (при высоких насыпях), а также концевого устройства, в качестве которых предлагается использовать рассеивающие трамплины [26, 66]. Заметим, что последняя рекомендация достаточно робко прозвучала в [31]. Там сказано: «В прежние годы на опытных участках автомобильных дорог использовались... быстротоки с рассеивающими трамплинами из железобетонных блоков..., однако они не получили дальнейшего широкого распространения». Добавим,- к сожалению, так как они являются достаточно простыми и надежными устройствами.
Поскольку, как было показано, работоспособность всех частей системы водоотведения определяется качеством перевода потока из прикромочного лотка в откосный лоток с обеспечением возможно меньшего расхода «проскока», последнее приводит к увеличению расстояния между местами устройства откосных лотков и сокращению их количества. Эта проблема имеет положительные подвижки в своем решении, но предложенный в [72, 87] вариант обладает тем существенным недостатком, что выводить поверхность дна с двоякой кривизной, заданную в горизонталях, достаточно сложно в производственных условиях. Не отвергая идеи применения методов управления бурными потоками к решению указанной задачи, выполним поиск более удачной, более приспособленной к изготовлению в виде типовых сборных элементов, конструкции входного участка.
Плановая конфигурация новой конструкции входного участка
Выражение (2.47) дает возможность определить координаты поперечных сечений свободной поверхности, нормальных оси ро о)? входного участка на всем его протяжении.
Вычислительную процедуру проще всего реализовать с использованием формул численного интегрирования с применением, например, формулы Симпсона, трапеций и т.п. Подробнее этот прием будет изложен далее.
Таким образом, очертание свободной поверхности оказывается определенным в области значений 0 и 1 и 0 SQ \, принадлежащих фрагменту 1.
Рассмотрим фрагмент 2. В этом случае необходимо выполнить те же операции, что и для фрагмента 1. Различие заключается лишь в том, что во фрагменте 2 функции р ,f2(n;S0),N2,—- имеют иное выражение ((2.32), (2.34), в этом случае реализация интегрирования выполняется численно.
Подводя итоги, отметим, что предложена методика расчета очертания свободной поверхности в области в координатах n,SQ при значениях 0 п 2 и
Область определения координат свободной поверхности на входном участке в координатах и, SQ
Переход к координатам х,у производится соответствующим пересчетом. Однако для практического построения поверхности достаточно определить в координатах х, у положение плана осевой линии SQ , а поверхность представлять её сечениями, нормальными к SQ, также в координатах х,у (Рисунок 2.9). п -
Затем на плане входного участка намечается положение расчетных поперечных сечений, проходящих через узловые точки на оси So с шагом ASQ = 0,1. Поскольку они пересекают ось SQ ПОД прямым углом, ТО С ОСЬЮ X они составляют угол 90-а0, а с осью у соответственно угол а0 (Рисунок 2.10). Для каждого из них легко определяются значения х0,.Уо (с шагом по SQ, равным ASQ = 0,1). Они заносятся в указанную таблицу. Рисунок 2.10. К положению поперечных сечений
Далее необходимо было бы найти значения х,у в том же сечении, соответствующие узловым точкам, в которых планы поверхностных линий пересекают рассматриваемое поперечное сечение с шагом по п, равным An (например, An = 0,2). Однако поступим более простым образом, - учитывая, что положение поперечного сечения вполне определено значениями So и ос0, для построения поперечного сечения будем определять координаты указанных узловых точек, но не х,у, а расстояния вдоль сечения от точки его пересечения поверхностной линии тока со значением параметра п = 0, до аналогичной точки с параметром п = 2 с шагом An. Очевидно, точка пересечения, соответствующая п = 1, будет лежать на оси S0. Следовательно, вводимая единственная координата, определяющая положение искомых точек на поперечнике, отсчитывается от плана поверхностной линии тока с параметром п = 0 (то есть от левого борта входного участка) в направлении, противоположном направлению радиусов кривизны р и р0. Обозначим это координатное направление уп (то есть у поперечное). Схематически соотношение введенных координат изображено на рисунке 2.11. Рисунок 2.11. К введению координаты уп Расстояние уп от начала координат до узловой точки, как следует из схемы, равно
Эта формула дает возможность определить координаты уп в узловых точках во всех поперечниках, то есть в диапазоне измерения параметров 0 п 1, О So 1 (другими словами, в пределах плана фрагмента 1). Аналогично для фрагмента 2 получим тем же способом формулу для определения уп\п=п. Во фрагменте 2 радиус кривизны определяется формулой (2.35). Тогда Расчет координат свободной поверхности z в каждой из узловых точек во всех поперечниках производится по формуле (2.47) во фрагменте 1 и по формуле (2.53) во фрагменте 2. Шаги интегрирования по п примем равными An = 0,1, а по SQ - соответственно ASQ = 0,1.
7. Заключительным этапом всей вычислительной процедуры является определение координат дна гд входного участка. Предложенным методом
определяется глубина потока по вертикали в тех же узловых точках, что и при построении сечений свободной поверхности. После определения глубины hB координаты дна определятся простым вычитанием их из координат свободной поверхности zA=z-hB. (2.63) Для решения этой задачи воспользуемся уравнением неразрывности. В случае фрагмента 1 имеем выражения для соотношения расхода между двумя близкими вертикальными поверхностями тока dQH и dQ, которое должно
В узловых точках координатной сетки вычисляются глубины потока по вертикали с использованием упрощенных выражений. 7. Простым вычитанием из отметок свободной поверхности найденных глубин потока по вертикали во всех узловых точках определяются координаты дна входного участка.
Реализация приведенного алгоритма предусматривает использование ПЭВМ. С этой целью была составлена соответствующая программа на языке программирования Visual Basic for Applications (MS Excel) (см. приложение).
Предусмотрено, что результаты расчетов ПЭВМ выдает в виде заполненных таблиц. Ниже приведены формы упомянутых таблиц. Количество граф в них определяется применяемым значением шагов интегрирования AS0 и An. Например, при AS0 = 0,1 и An = 0,2 таблицы будут иметь следующую форму:
Определение расчетного расхода и расчетных параметров входного участка
Широко известно, что различного рода методы расчета разнообразных конструкций и устройств должны апробироваться в экспериментальных и натурных условиях. При этом должны быть установлены их работоспособность и приемлемость достигаемого результата. Как правило, экспериментальные исследования проводятся на моделях в уменьшенном масштабе. Желательно, конечно, чтобы масштаб модели был возможно большим [13].
Такому испытанию было подвергнуто предлагаемое устройство - входной участок системы водоотведения автомобильных дорог, имеющий сложную форму поверхности дна. Опыты проводились в гидравлической лаборатории СГТУ имени Гагарина Ю.А., при этом оказалось, что можно обеспечить использование модели входного участка в достаточно большом геометрическом масштабе 1:5. Следовательно, геометрический масштаб модели составляет т1 = 5. Поэтому все геометрические размеры моделей придорожного кювета и входного участка были впятеро меньше натурных. Приведем значения исходных параметров для модельных условий (см. п. 3.3). Ьм = 0,15 м; Вм = 0,06 м; В0м = 1,06 м; L0M = 2 М; Км = ,8 см; h M = 0,8 см; =-0,05; teP =-0,667; Для правильного моделирования гидравлических явлений необходимо прежде всего установить состояние натурального потока [42]. В главе 1 было показано, что потоки в пределах придорожного кювета, и тем более в остальных частях системы водоотведения находятся в бурном состоянии. Это, согласно канонам теории моделирования гидравлических процессов [43], требует применения в качестве критерия моделирования числа Фруда:
Такое соотношение обязано выполняться между масштабами скоростей mv и линейным масштабом т1 при моделировании течений бурных потоков. Соответственно, поскольку расход жидкости равен
Поскольку было принято значение т1 = 5, то &,=% = 0,0179 „. (4.10) Значение 2Н= 0,16 м /с, следовательно, на модельной установке должен быть установлен расход QM = 0,0179 0,16 = 0,00286 м3/с= 2,86 л/с. Соответственно, скорость в начальном сечении входного участка в натурных условиях была установлена ранее (см. п. 3.3) и оказалась равной (vH)H =3,556 м/с.
Цель и задачи экспериментальных исследований Основной целью экспериментальных исследований в лабораторных условиях является установление степени соответствия принятой модели потока реальному потоку во входных участках системы водоотвода с автомобильных дорог.
Основными задачами, которые решались в ходе экспериментальных исследований входных участков, являлись:
Экспериментальные исследования работы входных участков выполнялись в гидравлической лаборатории СГТУ имени Гагарина Ю.А. на спроектированной и изготовленной для этой цели установке. Она в общих чертах подобна использовавшимся в разное время и в разных лабораториях соответствующим установкам для изучения течений в дорожных гладких трубах, косогорных трубах и участках сужения быстротоков. Геометрические размеры установки предусматривали удовлетворение требованиям выбранного масштаба моделирования входных участков, а также возможности быстрого ее монтажа с учетом сжатого срока проведения исследований.
Она включает в себя напорный бак 2, снабженный системой балочных, щитовых и сеточных успокоителей. Вода подается в бак центробежным насосом марки Д320-50, обеспечивающим производительность до 90 л/с. Запитывается установка из резервуара емкостью 17 м . Вода подается по двум напорным трубопроводам диаметром 100 мм. Расход, подаваемый на экспериментальную установку, измеряется ультразвуковым расходомером, место для крепления датчиков расходометра обозначено 1.
К вырезу в напорном баке приварен направляющий конфузор, содержащий дополнительную систему успокоителей. Далее поток следует по горизонтальному каналу 3 и направляется в участок сужения 4, а затем в подводящий канал, состоящий из плоской части 5 и части имитирующей прикромочный лоток с продольным уклоном /0 = -0,05 . На выходе из подводящего канала устраивается щитовое устройство, позволяющее ввести в модель входного участка поток необходимой высоты. К указанному подводящему каналу подсоединяется модель входного участка 8. На выходе к модели присоединен отводящий лоток прямоугольного сечения 9 с продольным уклоном /0 = -0,667. Поток с отводящего лотка попадает в мерную емкость 10, приспособленную для измерения расхода объемным способом. Далее поток попадает в приямок, а затем через сливные патрубки попадает в запитывающий резервуар, откуда снова насосом вновь откачивается в бак 2. Так достигается оборотное водоснабжение лабораторной установки.
Таким образом, смонтированная установка позволяет выполнить опытные исследования работы входного участка при расчетном расходе.
Особое внимание стоит уделить процессу изготовления пространственной модели. Очевидно, что выполнение пространственной конструкции, описанной в главе 3, требует большой точности, которой очень трудно добиться путем изготовления вручную из дерева, бетона, гипса или других материалов. Поэтому для выполнения модели входного участка был использован перспективный процесс трехмерного или быстрого прототипирования [58, 76], который в наше время активно внедряется в производстве, обучении и других областях для изготовления прототипов, моделей и готовых изделий. Суть процесса заключается в послойном создании по данным компьютерной модели физического объекта, с помощью специального оборудования - 3D принтера.
Процесс 3D прототипирования достаточно трудоемок, но в итоге позволяет получить весьма точную модель из прочного материала.
На основе расчетных данных (см. главу 3) была построена трехмерная модель входного участка системы водоотведения в масштабе 1:5. Для её построения было выбрано специализированное ПО - Autodesk AutoCAD, позволившее быстро и точно выполнить компьютерную модель. Особенности 3D моделирования в AutoCAD описаны в [36, 48, 89]. Плюсом этого подхода является возможность, задавая форму поперечных сечений дискретно, а также форму центральной оси лотка, получить сплошную модель входного участка. Для этой цели применяется компьютерная аппроксимация по специальным алгоритмам, входящим в состав ПО. Компьютерную модель можно масштабировать, поворачивать, отражать, разбивать на отдельные части по желанию пользователя.
Методы изготовления пространственной модели входного участка
Как известно, попытка осуществить деформацию бурного потока с целью его сужения либо поворота простыми средствами приводит к возникновению крайне негативных явлений. К ним относятся образование косых волн, а в месте их пересечения «гребней», которые имеют неприятную тенденцию сохраняться на значительном протяжении. Исследования В.И. Климешова [21] показали, что в «гребнях» глубина может превышать нормальную глубину в 7-10 раз. Подобные образования приведены на рисунках 1.8, 1.9, 1.10, 4.9.
Предложенный метод расчета входного участка базируется на положениях теории управления бурными потоками [26]. Он был выбран, главным образом, потому, что нацелен на подавление перечисленных явлений. Экспериментальные данные, приведенные в предыдущих параграфах, предназначены для подтверждения (или наоборот) эффективности работы входного участка без проявления существенных нежелательных волнообразований.
Простое рассмотрение полученных данных, приведенных на рисунках 4.6 и 4.7, позволяет сделать вывод о том, что существенные волнообразования на свободной поверхности в пределах входного участка отсутствуют. Распределение глубин по ширине входного участка в различных поперечных сечениях можно признать удовлетворительным. Расхождения в их значениях при точности оценки 0,1 мм и доверительной вероятности 0,95 колеблются в пределах ± 15 %. Отметим, что наибольшие отклонения (до 40%) наблюдаются только вблизи боковых стенок, причем в большую сторону. Этот факт объясняется тем, что в расчетах не было учтено тормозящее влияние боковых стенок. Последнее требует предварительного решения сложной гидравлической задачи о пространственно-искривленном пограничном слое.
Учитывая, что локальные увеличения глубины потока не имеют катастрофического характера, а также существующие рекомендации в запасе высоты бортов водоотводящих лотков в натурных условиях в 25 см [54], считаем полученное увеличение глубин вполне допустимым. Более того, можно считать, что приведенный запас в высоте бортов можно снизить в 2,5 раза, то есть принять его равным 10 см. Это означает, что при использовании предлагаемой конструкции входного участка допустимо высоту бортов принимать равной всего 10 см, причем по нормали ко дну.
Наличие главного эффекта, достигаемого при повороте бурного потока входным участком и заключающегося в отсутствии значительных возмущений свободной поверхности, подобных приведенным на рис. 4.9, подтверждается фото свободной поверхности в пределах входного участка (см. рисунки 4.10 и 4.11).
1. Основной бедой при организации водоотведения с проезжей части автомобильных дорог является то обстоятельство, что потоки в прибордюрных кюветах являются бурными (сверхкритическими). Именно в этом заключается проблема надежного перевода потока из кюветов в откосные водоотводящие лотки. Существующие типовые конструкции были предложены без учета специфики поведения бурных потоков, что приводит к «проскоку» большей части расхода мимо входного участка системы водоотведения с последующим увеличением к расположенным ниже по ходу водоотводящим системам.
2. На необходимость учета состояния потока было обращено внимание проф. Д.В. Штеренлихтом [86]. Однако ему не удалось радикальным образом разрешить установленное положение по необходимости резкого уменьшения «проскока». Эта задача была решена по договору с Росавтодором коллективом кафедры ТГВ СГТУ имени Гагарина Ю.А.. Предложенная форма входного участка, полученная опытным путем с учетом особенностей течения бурных потоков, в принципе решала изложенную проблему, но оказалась труднореализуемой на практике из-за усложненной, пространственно-искривленной формы дна входного участка.
3. Предлагаемая конструкция входного участка полностью учитывает закономерности, которым подчиняются бурные потоки, её расчет базируется на теории управления бурными потоками. Она представляет собой пространственно-искривленный канал виражеобразной формы. Его размеры полностью вписываются в площадку, обычно отводимую для водоотводящих устройств. Экспериментальная проверка работоспособности входного участка полностью подтвердила ожидаемый результат. Никаких нежелательных волнообразований в виде косых волн, гребней, всплесков, свала потока и т.п. не наблюдалось. Это дает возможность рекомендовать вдвое снизить запас в высоте бортов водоотводящих лотков, установленный в [19]. Естественным образом предложение приводит к экономии стройматериалов.
Обеспечение при надежном функционировании входного участка восстановления надлежащей работы всей системы водоотведения приведет к соответствующему изменению в лучшую сторону условий работы дорожного покрытия и других элементов автомобильной дороги и, как следствие, к немалому экономическому эффекту.
Представляется необходимым изъятие из употребления телескопических откосных лотков, которые, по данным исследований, приведенных в [64, 68, 87], оказались непригодными для пропуска бурных потоков из-за нежелательных волнообразований, пузырей, саморазгона потока и т.д. Вместо них целесообразно использовать либо обычные лотки прямоугольного сечения, либо лотки из гофрированного железа полукругового сечения [22].
Подтверждено, что низкая эффективность существующей системы водоотведения с проезжей части автомобильных дорог связана с невыполнением своего предназначения входным участком системы водоотведения. Установлено, что недостаточная пропускная способность входного участка связана с тем обстоятельством, что существующие варианты его конструкции не учитывают специфику бурных (сверхкритических) потоков, поведение которых во многом прямо противоположно поведению спокойных (докритических) потоков.
Предложена новая конструкция входных участков водоотводящих систем автомобильных дорог. Выполнена необходимая схематизация входного участка и определены его геометрические параметры. Использована общая идея и методика гидравлического расчета предлагаемой конструкции, известная как теория управления бурными потоками. Следуя её канонам, задан план поверхностных линий тока, позволяющих соединить русло треугольного сечения прикромочного кювета с руслом прямоугольного сечения водоотводящего лотка. Соответствующее аналитическое выражение было применено для указанной цели впервые.
Получено интегральное уравнение свободной поверхности в координатах р о и и и формула для расчета её безразмерных отметок. С использованием уравнения неразрывности для пространственно-искривленного потока предложен метод определения глубин по вертикали и перехода от свободной поверхности к координатам дна.
