Равномерное движение воды в открытых каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

Равномерное движение воды в открытых каналах

1. Равномерное безнапорное движение воды каналах

Равномерное движение - это установившееся движение, при котором гидравлические элементы потока (скорость, давление, глубина и площадь живого сечения) не изменяются по длине потока.

Такое движение возможно только в каналах призматической формы при выполнении ряда условий:

1. Постоянство расхода Q=соnst;

2. Постоянство площадей живых сечений щ=соnst, и как следствие, h= соnst, ч= соnst, R= соnst;

3. Постоянство уклона дна канала i= соnst;

4. Шероховатость русла по длине должна оставаться одинаковой;

5. Местные сопротивления (повороты, заиление, зарастание), должны отсутствовать.

Равномерное движение возможно только в каналах с прямым уклоном дна i>0.

Так как, глубины по длине потока и средние скорости не меняются, то линии полной удельной энергии и пьезометрическая параллельны между собой: ЕЕ II РР (рис. 1), а уклоны равны:

Рисунок 1 - Схема равномерного движения воды в канале

2. Типы открытых русел

В практике встречаются следующие типы открытых русел:

1. Симметричное трапецеидальное (рисунок 2 а). Здесь приняты следующие обозначения: b - ширина канала по дну; h - глубина канала; m - коэффициент заложения откоса; B = b+2mh - ширина канала по урезу воды;

= (b+mh)h - площадь живого сечения канала; - смоченный периметр; - гидравлический радиус

а) б)

Рисунок 2 а) Трапецеидальное сечение; б) Прямоугольное сечение

2. Прямоугольное (рисунок 10.2.б). В этом случае m=0; В=b; ; .

На практике встречаются треугольные, параболические, круглые и полигональные сечения.

Русла форма и геометрические размеры, которых изменяются по их длине, называются непризматическими.

Русла форма и геометрические размеры, которых не изменяются по их длине, называются призматическими. В трапецеидальном призматическом русле b = const, m = const.

Сужающиеся или расширяющиеся русла при m = const являются непризматическими.

В отношении уклона дна русла делят на:

1. Русла с прямым уклоном дна (рисунок 10.3 а)

2. Русла с обратным уклоном (рисунок 10.3 б)

3. Русла горизонтальные (рисунок 10.3 в)

Рисунок 3 - а - русло с прямым уклоном, б - русло с обратным уклоном, в - русло с нулевым уклоном

3. Основные расчетные зависимости

Основные зависимости, используемые при расчете каналов на равномерное движение:

1. Уравнение неразрывности потока (вдоль потока):

2. Формула Шези (1769 г).

,

где C - коэффициент Шези; R - гидравлический радиус; i=I_е - уклон дна, который при равномерном движении равен гидравлическому.

Из формулы Шези могут быть получены следующие уравнения:

; ; ,

где - модуль расхода или расходная характеристика.

Коэффициент Шези определяется по эмпирическим зависимостям. Основные из них:

Формула Р. Маннинга (1890)

;

Формула Н.Н. Павловского (1925)

,

где при R<1м,

, при R>1м;

Формула И.И. Агроскина (1949)

.

4. Гидравлически наивыгоднейшее сечение

Гидравлически наивыгоднейшим профилем называется профиль, который при заданной площади живого сечения щ, характеризуется наибольшей пропускной способностью.

Рассмотрим случай, трапецеидального сечения. При щ = const, i = const, n = const, наибольший расход

,

где будет при максимальном гид-

равлическом радиусе или наименьшем смоченном периметре ч_min (рисунок 10.4 а).

ч₁<ч₂

а) б)

Рисунок 4 (а,б)

Следовательно, сечение канала будет гидравлически наивыгоднейшим, если гидравлический радиус сечения наибольший или величина смоченного периметра наименьшая (рисунок 10.4 а).

Гидравлически наивыгоднешее сечение канала будет при относительной ширине канала по дну

.

5. Основы проектирования каналов. Допускаемые скорости

Проектирование каналов производится в соответствии с действующими нормами, в частности СНиП 2.06.03-83 «Мелиоративные системы и сооружения».

При проектировании каналов средняя скорость движения воды в канале должна быть в пределах:

,

где допускаемая незаиляющая скорость, допускаемая неразмывающая скорость.

Русла таких каналов получили название статически устойчивых. При этом в земляных руслах их форма должна соответствовать относительной ширине канала для устойчивых русел, определяемой по формуле С.А. Гиршкана

.

Таким образом, при проектировании оросительных каналов поперечное сечение должно удовлетворять условиям наразмываемости, незаиляемости и общей русловой устойчивости.

Если скорость в канале , то произойдет размыв канала. Допускаемые неразмывающие скорости определяется опытным путем или по зависимостям Ц.Е. Мирцхулавы.

Ориентировочно для несвязных грунтов (песчаных и гравелистых):

м/с.

Для связных грунтов м/с.

Для облицованных каналов м/с.

Если скорость в канале , то произойдет выпадение взвешенных частиц и канал будет заиляться. Величину допускаемой незаиляющей скорости можно определить по формуле С.А. Гиршкана

,

где А = 0,33-0,55 принимается в зависимости от гидравлической крупности наносов.

При проектировании каналов в целях снижения объема земляных работ рекомендуется в качестве расчетной скорости х выбирать скорость близкую к неразмывающей .

6. Особенности гидравлического расчета облицованных каналов

В последние 15-20 лет наметилась тенденция к широкому применению на оросительных каналах противофильтрационных облицовок из монолитного и сборного бетона, асфальтобетона, полимерных материалов и т.д. Это увеличивает пропускную способность из за снижения коэффициента шероховатости и позволяет существенно уменьшить потери на фильтрацию.

Гидравлический расчет облицованных каналов аналогичен каналам в земляном русле. Особенности расчета заключаются в установлении средней расчетной скорости течения и гидравлических сопротивлений.

Для назначения минимальной расчетной скорости течения в бетонных руслах каналов рекомендуется формула Ю.М. Косиченко:

вода русло канал гидравлический

,

где - минимальная расчетная скорость, исключающая возможность заиления с определенной вероятностью Р, - среднее число выбросов скорости за нулевой уровень, при котором происходит осаждение наносов, Т- продолжительность воздействия потока.

На практике встречаются случаи когда каналы облицованы частично по длине или периметру. В этом случае их расчет аналогичен земляным, а коэффициенты шероховатости можно определить по формулам:

а)

б)

Рисунок 5 - а) частично-облицованное по периметру русло; б) русло частично облицованное по длине

Н.Н. Павловского:

,

в канале, частично облицованном по периметру (рисунок 10.5 а);

К.Г. Гурина

,

в канале, частично облицованном по длине (рисунок 10.5 б).

7. Расчет каналов составных и замкнутых профилей

Рисунок 6 Составной профиль канала

При расчете каналов составных профилей живое сечение разбивают на отдельные части I, II, III, расчет которых ведут по общеизвестным формулам:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Каналы замкнутых поперечных профилей применяются в канализации (коллекторы), мелиорации (дренаж, лотки). Они имеют замкнутую форму, но работают в безнапорном режиме и рассчитываются как открытый канал.

Размещено на Allbest.ru