Principes de conception des aqueducs et des aqueducs à siphon
Lisez cet article pour en savoir plus sur les principes de conception d’Aqueduct et de Syphon Aqueduct.
Principes de conception pour l'aqueduc:
(i) Estimation de la décharge d'inondation de conception (maximale) d'un drain:
Le drain à traverser peut être petit ou ressembler à une rivière. Dans tous les cas, une évaluation correcte de la crue maximale ou du débit de pointe d'un drain doit être obtenue au préalable.
(ii) Besoin en voie navigable d'un drain:
L'équation du périmètre de régime de Lacey fournit une bonne base pour calculer la voie de drainage. L'équation est
P w = 4.825 Q 1/2
Où, P w est la voie navigable à fournir pour le drain sur le site en mètres. Q est le débit de décharge du drain en m 3 / sec. Au fur et à mesure que les piles réduisent le nombre de voies navigables réellement disponibles, la longueur entre les culées (P w ) peut être augmentée de 20%. Lorsque la voie navigable est fixée à l'aide de l'équation du périmètre du régime de Lacey, la condition du régime dans le drain en amont et en aval de la structure n'est pas sensiblement perturbée. Pour confiner les eaux de drainage aux rives de guidage de la voie navigable désirées, on peut construire.
iii) Vitesse d'écoulement à travers le baril:
La vitesse d'écoulement dans le canon peut aller de 1, 8 m / s à 3 m / s. La raison de cette sélection est que les faibles vitesses peuvent provoquer un ensablement dans les fûts. Tandis que lorsque la vitesse est supérieure à 3 m / s, la charge du lit peut provoquer une abrasion du fond du canon et, par la suite, l’endommager.
(iv) hauteur d'ouverture:
Une fois que le débit de la voie navigable et la vitesse sont fixés, la profondeur du flux peut être facilement obtenue. Il doit rester suffisamment d'espace libre ou d'espace libre entre le HFL et le bas du lit du canal. Un dégagement égal ou inférieur à 1 m ou moins de la hauteur du ponceau serait suffisant. Par conséquent, Hauteur d'ouverture = Profondeur du flux + Espace libre ou avance.
(v) Nombre de portées:
Après avoir déterminé la longueur totale d'un aqueduc entre les piliers, le nombre de portées à prévoir peut être déterminé sur la base des deux considérations suivantes:
je. Résistance structurelle requise, et
ii. Considération économique
Par exemple, lorsque des arches sont utilisées, le nombre de portées à fournir peut être supérieur. Lorsque le coût de construction dans les fondations est plutôt élevé, il convient d’adopter un petit nombre de portées et d’utiliser des faisceaux RCC.
vi) voie navigable sur le canal:
Le rapport de fluming est généralement égal à 1/2. Ce rapport est adopté de manière à ce que la vitesse d'écoulement dans le bac ne dépasse pas la vitesse limite critique. En règle générale, la vitesse d'écoulement ne doit pas dépasser 3 m / s. Cette précaution est prise pour éviter la possibilité de formation d'un saut hydraulique. La raison évidente est que, lorsque le saut hydraulique se forme, il absorbe de l'énergie. Dans ce processus, la tête perdue et des contraintes importantes sont produites dans la structure.
(vii) Durée de la contraction ou de la transition d’approche:
Une fois que la largeur à la gorge est fixée, la longueur de la contraction peut être déterminée après avoir connu le rapport de convergence. Le rapport de convergence est généralement pris à 2: 1 (horizontal: latéral), c’est-à-dire ne dépasse pas 30 °.
(viii) Durée de l'expansion ou de la transition de départ:
La longueur d'expansion du côté aval de l'aqueduc peut être fixée après avoir connu le taux d'expansion. Le taux de dilatation est généralement pris à 3: 1 (horizontal: latéral), c’est-à-dire pas plus raide que 22, 5 °. Afin de maintenir un écoulement simplifié et de réduire les pertes de charge, les transitions sont généralement constituées de parois latérales incurvées et évasées.
La conception de la transition peut être élaborée en utilisant l’une des trois méthodes suivantes:
je. La méthode de Hind;
ii. Méthode de transition hyperbolique de Mitra;
iii. La méthode de transition parabolique semi-cubique de Chaturvedi.
On peut noter que, si la méthode de Hind peut être utilisée lorsque la profondeur de l'eau dans la section normale et dans le bac à flume varie également, les deux méthodes restantes ne peuvent être utilisées que lorsque la profondeur de l'eau reste constante dans la section du canal normal ainsi que dans la section de l'auge. .
(ix) Connexions bancaires:
Un aqueduc nécessite quatre ensembles de murs en aile (deux pour le canal et deux pour le dram (Fig. 19.24).
Les parois de l'aile du canal situées en amont et en aval de l'aqueduc protègent et retiennent la terre sur les rives du canal. La fondation des murs en aile du canal ne devrait pas être laissée dans la terre enfoncée. Les murs en aile devraient être basés sur la base solide du sol naturel. Dans les transitions, les pentes latérales de la section naturelle (généralement 11/2: 1) sont gondolées pour épouser la forme (généralement verticale) du bac au-dessus du drain.
Des parois d'aile de drainage sont prévues en amont et en aval du canon pour protéger et conserver les parois naturelles du drain. Lorsque le lit du drain est décapé pendant les inondations, les parois des ailes de drainage doivent être enfoncées profondément dans les fondations, en dessous de la profondeur maximale de récurage. Les parois des ailes doivent être suffisamment ramenées dans la partie supérieure des berges de guidage. Les parois des ailes doivent être conçues de manière à permettre une entrée et une sortie en douceur du flux dans le drain.
Méthode de Hind pour la conception de la transition:
Cette méthode repose sur le principe que la perte de charge est minimale, que l'écoulement est simplifié et que les conditions d'écoulement normales dans le canal sont rétablies avant que les écoulements du canal ne descendent sur la section en terre immédiatement après les transitions incurvées et évasées.
La figure 19.25 montre la transition de contraction ou d'approche, la partie gorge et la transition d'expansion ou de départ. On peut voir que les sections 1-1, 2-2, 3-3 et 4-4 indiquent respectivement le début de la contraction, la fin de la contraction, le début de l'expansion et la fin de l'expansion.
Ainsi, la transition de contraction ou d'approche se situe entre les sections 1 et 2, la gorge entre les sections 2 et 3 et la transition d'expansion ou de départ entre les sections 3 et 4. Jusqu'à la section 1 et au-delà de la section 4, le canal s'écoule dans ses conditions normales et donc ses paramètres ces deux points sont égaux et déjà connus. Ainsi, les conditions d'écoulement et les paramètres du canal sont les mêmes entre les sections 2 à 3 qui représentent la gorge ou la partie en auge.
La procédure de conception peut être décrite comme suit:
Laissons D et F avec les indices appropriés se référer aux profondeurs et aux vitesses de quatre sections. En outre, les niveaux et les dimensions du canal sont déjà connus aux sections 4-4:
Étape 1: TEL à la section 4-4 = Élévation de la surface de l’eau + V 2 4 / 2g
où altitude de la surface de l'eau en sec. 4-4 = niveau du lit + J 4
(Rappelez-vous que TEL est l'abréviation de la ligne d'énergie totale)
Étape 2: TEL à la sec. 3-3 = (TEL en secondes 4-4) + (perte d'énergie entre les secondes 3 et 4) La perte d'énergie entre les sections 3-3 et 4-4 est due à la dilatation des lignes de courant et également au frottement. Négliger la perte due au frottement qui est petit et en prenant la perte due à la dilatation à
Étape 5:
Comme mentionné dans les quatre premières étapes, le niveau du lit, le niveau de la surface de l’eau et le niveau de la ligne d’énergie totale peuvent être déterminés aux quatre sections.
Maintenant, la ligne TE, la ligne de surface de l'eau et la ligne de lit peuvent être tracées comme suit:
(a) Vous pouvez maintenant tracer la ligne d'énergie totale en reliant ces points à quatre sections par une ligne droite.
(b) La ligne de lit peut également être dessinée sous forme de lignes droites entre les sections adjacentes si la chute ou la montée du lit est petite. Les coins devraient être arrondis. Si la chute de la ligne de lit est appréciable, les lignes de lit doivent être reliées par une courbe inverse tangentielle lisse.
(c) Il est maintenant clair qu'entre deux sections consécutives quelconques, la baisse du niveau de la surface de l'eau peut être provoquée par (i) la chute de la ligne d'ET entre les deux sections; (ii) augmentation de la vitesse de la tête en contraction; et (iii) diminution de la vitesse de chute en expansion.
Cette baisse de la surface de l'eau est négociée par deux courbes paraboliques. Comme le montrent les Fig. 19.26 et 19.27 pour la contraction (transition d'approche) et l'expansion (transition de départ), ceci est obtenu par une courbe ascendante convexe suivie d'une courbe ascendante concave dans la première transition et d'une courbe concave ascendante suivie d'une courbe convexe vers le haut dans la dernière transition.
On peut voir à partir des Figs. 19.26 et 19.27
L = longueur de la transition (contraction ou départ) = 2x 1 et
2y 1 = chute ou élévation totale de la surface de l'eau. Le point m est le point milieu de la longueur de la transition et est situé de manière à diviser la chute totale de manière égale.
Prendre la surface de l’eau au point de coupe comme équation d’origine de la parabole est donnée par
y = cx 2
Substituer les valeurs connues de y 1 et x 1
c = y 1 / x 2
Avec cette valeur de c, les courbes de surface d’eau paraboliques peuvent être tracées à partir de points de coupe représentant l’origine.
L’équation à utiliser pour le tracé est maintenant réduite à
y = (y 1 / x 1 2 ). x 2
Ainsi, le profil de surface de l'eau peut être tracé.
Étape 6: La vitesse et la surface d’écoulement en différents points peuvent être obtenues
(i) La vélocité en tout point est donnée par la différence entre TEL et la surface de l'eau.
Velocity Head h v = TEL - Ligne WS
Aussi = h v = v 2 / 2g
Donc, la vitesse (V) à chaque point = √2g.h v
(ii) La surface d'écoulement en tout point peut maintenant être obtenue par une simple formule
A = Q / V
Avec les valeurs connues de A et D, d’autres dimensions du canal trapézoïdal peuvent être calculées à l’aide de la formule
A = BD + SD 2
où B est la largeur du lit et S: 1, c'est-à-dire que (H: V) est la pente latérale.
En cas de murs d'aile évasés, les pentes latérales sont progressivement amenées à la verticale à partir d'une pente initiale. La valeur de la pente latérale sur toute section intermédiaire dans la longueur de la transition peut être interpolée proportionnellement à la longueur de la transition obtenue jusqu’à ce point.
Méthode de transition hyperbolique de Mitra :
Cette méthode repose sur le principe suivant :
je. Avec la décharge, la profondeur de l'écoulement dans le canal est également constante; et
ii. Le taux de changement de vitesse par unité de longueur de transition est constant pendant toute la durée de la transition.
La figure 19.25 montre que:
B 0 = largeur normale du lit du canal;
B t = largeur du lit dans la gorge ou le creux;
B x = largeur à toute distance x de l'extrémité du bac;
et L = longueur totale de la transition.
Méthode de transition parabolique semi-cubique de Chaturvedi:
Il indique que (voir Fig. 19.25 pour les notations)
Principes de conception pour l'aqueduc à siphon:
Il est clair que les aqueducs à siphon sont fondamentalement différents des aqueducs ordinaires. En tant que tels critères de conception d'aqueduc ne sont pas suffisants dans la conception d'aqueducs à siphon.
Outre les considérations ci-dessus, les critères suivants doivent être adoptés lors de la conception des aqueducs à siphon:
(i) Décharge par fût de siphon:
La tête qui provoque un écoulement (elle représente également une perte de charge en fût) à travers le fût de siphon inversé peut être obtenue à partir de la formule de Unwin
où h est la tête qui cause l'écoulement, c'est aussi la perte de tête dans le canon en m.
L est la longueur du baril en m.
R est le rayon moyen hydraulique du baril en m.
V est la vitesse d'écoulement à travers le baril en m / sec.
V a est la vitesse d’approche en m / sec, elle est généralement négligée.
f 1 est un coefficient de perte de charge à l'entrée, généralement pris à 0, 505.
f 2 est un coefficient qui rend compte du frottement dans le canon.
où a et b sont des constantes.
Le tableau 19.2 suivant donne les valeurs de a et b pour différentes surfaces:
La vitesse d'écoulement à travers le canon est généralement limitée à 2 à 3 m / s.
Ainsi, étant donné que toutes les valeurs sont connues, il est possible de calculer un écoulement causant une perte de charge dans le corps ou le canon Cette valeur, lorsqu'elle est ajoutée au niveau d'inondation élevé (HFL) sur le d / s de l'aqueduc, donne u / s HFL.
En ajoutant des panneaux libres au HFL américain, nous pouvons obtenir le meilleur de la protection de la rivière, comme les diguettes de guidage et les diguettes marginales.
ii) Pression de soulèvement sur le toit du baril:
Lorsque le baril est plein pendant les inondations, il existe une pression positive dans le baril. En raison de la pression positive dans le canon, le toit est soumis à la pression de soulèvement. Le diagramme de pression de soulèvement pour le toit peut être dessiné en connaissant la pression de refoulement du côté u / s et d / s du canon.
La pression exercée sur le côté d / s du baril est égale à la hauteur du niveau d'eau au-dessus du bas du toit. On peut obtenir une pression de refoulement côté U / s en ajoutant la perte de charge dans le fût à la pression de refoulement côté d / s. La perte de tête peut être obtenue à partir de la formule d'Unwin. La figure 19.28 montre le profil de la ligne de gradient hydraulique pouvant exister. On peut voir que la pression de soulèvement maximale se produit à l'extrémité u / s du toit du tonneau.
Lors de la conception du bac, il est nécessaire de prendre en compte deux conditions extrêmes, à savoir:
je. Le baril est plein pendant la crue maximale et il n'y a pas d'eau dans le canal. Cette condition donne une pression de soulèvement maximale agissant sur le creux.
ii. L'auge du canal est complètement déchargée, mais le canon ne court pas complètement et il n'y a donc pas de soulèvement sur le toit du canon.
Afin de limiter l'épaisseur de l'auge, il est conseillé de fournir un toit en béton armé avec un renforcement à la base pour supporter la charge de l'auge du canal et une armature au sommet pour résister à la pression de soulèvement par flexion.
iii) pression de soulèvement sur le plancher du baril:
Contrairement aux autres structures hydrauliques, les aqueducs sont soumis à deux types de pressions de soulèvement provenant de deux sources différentes. Ils sont les suivants:
a) Pression de soulèvement statique due à l'élévation de la nappe phréatique:
La nappe phréatique monte souvent au niveau du lit du drain. En particulier dans le cas d'un aqueduc à siphon dont le fond est abaissé sous le lit du drainage, une pression de soulèvement statique agit sur le fond. La pression de soulèvement est égale à la différence entre le niveau du lit du drain et celui du niveau du plancher.
b) Pression de soulèvement due au suintement de l'eau du canal jusqu'au drain:
Puisqu'il existe une différence de niveau entre le niveau d'eau du canal et le niveau de l'eau de drainage, un écoulement d'infiltration a lieu lorsque les conditions sont favorables. Cette charge d'infiltration est maximale lorsque le canal fonctionne à pleine capacité et qu'il n'y a pas d'écoulement dans le drain en dessous. Comme le montre la figure 19.29, dans ce cas, l'écoulement d'infiltration n'est pas simple, mais le schéma d'écoulement est partout tridimensionnel. L'écoulement d'infiltration commence des deux côtés du fond de la goulotte du canal imperméable et réapparaît de chaque côté du fond du baril imperméable dans le drain.
Comme aucune approximation d'un écoulement bidimensionnel n'est possible, la théorie de Khosla ne peut être appliquée strictement. La solution par "méthode de relaxation" complexe est possible mais elle est trop laborieuse. Aux fins de la conception, le principe de la théorie de fluage de Bligh expliqué ci-dessous peut être appliqué. Pour les travaux importants, il est toutefois essentiel de vérifier les résultats du projet préliminaire ainsi obtenu par des études sur modèle.
En vous reportant à la Fig. 19.29.
Prenons le cas du premier canon où l'infiltration sera maximale, longueur totale de fluage - (longueur de fluage ab) + (longueur de fluage bc)
L = L 1 + L 2
Tuyau total d'infiltration = canal FSL - d / s niveau de drainage du lit = H s
Tête d'infiltration résiduelle à b = -H s / L x L 2
La hauteur totale d'infiltration résiduelle en b peut être prise en compte pour déterminer l'épaisseur de tout le plancher de tous les fûts.
L’épaisseur du plancher du baril est en fait conçue en tenant compte de la pression de soulèvement totale créée par les conditions de soulèvement statique et le flux de suintement dans le canal susmentionnés.
Afin de limiter l'épaisseur du sol, la construction en RCC peut être adoptée car une partie de la pression est résistée au poids du sol et à la résistance à la flexion du sol. Dans un tel agencement, la pression est transférée aux piles et le poids total de la superstructure résiste.
Quand on voit que la pression de soulèvement est très élevée, il est possible de la réduire en fournissant des protections appropriées.
Elles sont:
a) Augmenter la longueur du plancher imperméable du lit du canal de manière à augmenter la longueur de fluage;
(b) Prévoir des trous de drainage ou des trous de décharge dans le sol du canon en conjonction avec un filtre inversé sous le sol. Pour éviter d'étouffer les orifices de décharge et le filtre situé sous le seuil de vidange, ces derniers doivent être munis de clapets.
