Основы расчета трубчатых перепадов

Размеры основных конструктивных элементов трубчатых перепадов, а именно – стояков и водобойных колодцев, определяются при их гидравлическом расчете (см. ниже рис.). Исходными данными к расчету являются расход стоков, отметки подводящей и отводящей труб, их наполнения и скорости течения.

В зависимости от величины расхода различают три основных типа движения жидкости в стояках перепадов: безнапорный (расчетный) – степень заполнения сечения стояка K < 1; напорный – полное заполнение стояка жидкостью по всей высоте (K = 1); переходный – K ≤ 1, причем K = 1 только в верхней части стояка.

При расчете сначала определяется диаметр стояка D. Для этого задаются отношением R_вх/D (здесь R_вх – радиус входной воронки) и рассчитывают параметр A по формуле:

.

• где Q – расчетный расход в подводящем трубопроводе.

После этого рассчитывается средняя скорость на выходе из стояка v_ср:

,

• где T₀ – высота перепада с учетом глубины потока и скоростного напора,
  φ – коэффициент скорости, который зависит от сопротивления:

,

• здесь Σζ – суммарный коэффициент сопротивления (местного и по высоте стояка).

При плавном закруглении на входе Σζ примерно равен:

• где λ – коэффициент сопротивления трению по длине стояка, который можно определить, например, исходя из формулы Павловского:

,

• здесь n – коэффициент шероховатости, ,
  p – высота трубчатого перепада,
  R – средний по высоте гидравлический радиус:

.

Так как λ в конечном счете тоже зависит от средней скорости v_ср, то коэффициент скорости φ рассчитывают методом последовательного приближения.

Для чугунных стояков диаметр принимается 200…1000 мм, для железобетонных – 1500…2000 мм.

Дальнейший расчет заключается в определении геометрических размеров водобойного колодца в основании перепада, который предназначен для гашения энергии падающей воды.

Расчет водобойных колодцев трубчатых перепадов

Водобойные колодцы трубчатых перепадов бывают прямоугольными и цилиндрическими.

Расчет прямоугольного водобойного колодца

При расчете необходимо определить длину l_к и глубину колодца d_к (см. рис). Ширина B принимается по конструктивным соображениям, в зависимости от размеров стояка. Обычно B ≥ 1,5D.

1. Определение глубины колодца d_к.

Если рассмотреть уравнение Бернулли для сечений I–I и C–C, и принять сечение I–I на небольшом расстояние от дна (т.е. глубина h₁ примерно равна глубине в сжатом сечении h_c), то скорость в сжатом сечении можно определить по формуле:

,

• где v₁ – скорость в сечении I–I, которую можно принять равной скорости на выходе из стояка,
  ζ_вк – коэффициент сопротивления колодца, принимается по таблицам в зависимости от соотношения B/D.

Первая сопряженная глубина гидравлического прыжка h_c’ в данном случае (при надвинутом прыжке) равна глубине воды в сжатом сечении h_c:

Вторая сопряженная глубина h_c’’ рассчитывается по формуле:

,

• где h_кр – критическая глубина, для прямоугольного колодца определяется:

,

Тогда глубина колодца в этих условиях находится по зависимости:

• где t – бытовая глубина в отводящем коллекторе,
  σ – коэффициент затопления гидравлического прыжка (1,05…1,3).

На практике при расчете перепада вначале определяют среднюю скорость v_ср при принятой глубине колодца d_к = 0. Затем рассчитывают новое значение d_к и корректируют высоту перепада T₀. Расчет повторяется примерно 2–3 раза.

2. Определение длины колодца l_к.

Общая длина колодца складывается из величин (см. рис):

• где l₁ – расстояние от оси стояка до стенки, равное не менее 1D,
  l_сж – расстояние от оси стояка до сжатого сечения, l_сж = 0,5D,
  l_пп – длина подпертого гидравлического прыжка, можно использовать формулу: