Определение гидравлики как науки и ее связь с другими дисциплинами

где Н - напор жидкости, определяется как

ц- коэффициент скорости



где б - коэффициент Кориолиса;

ж (дзета)- коэффициент сопротивления отверстия.

Расход жидкости определяется как произведение действительной скорости истечения на фактическую площадь сечения:

Произведение е (эпсилон) и ц принято обозначать буквой и называть коэффициентом расхода, т.е. м = ец.

В итоге получаем расход:

где ДР - расчетная разность давлений, под действием которой происходит истечение.

При помощи этого выражения определяется расход.

4.9 Водосливы. Их классификация и основные расчетные формулы

Если открытый канал или русло перегородить стенкой, то уровень воды перед ней будет повышаться и, достигнув верха стенки вода начнет переливаться под действием силы тяжести. В этом случае говорят, что происходит протекание воды через водослив.

Водосливом называется та часть сооружения, преграждающего поток, через которую происходит перелив воды. Сброс воды осуществляется в случае переполнения водохранилища из-за паводка, сильных дождей и т. п. Исключение - водосливная плотина, на которой слив воды осуществляется постоянно. Водосливная плотина - плотина, предназначенная для пропуска воды путем перелива через ее гребень. Водослив разделяет поток на две области с различным характером течения: часть водного потока перед водосливом называют верхним бьефом, а за ним - нижним бьефом, место перелива (верхнюю грань стенки) называют порогом. Бьеф - часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающая к гидротехническому сооружению.

К сооружениям, у которых могут быть бьефы, относятся плотина, шлюз, гидроэлектростанция и другие.

Существуют верхний бьеф, располагаемый выше по течению, и нижний, располагаемый по другую сторону гидротехнического сооружения. Верхним бьефом часто является водохранилище.

Водосливная поверхность - поверхность конструкции водослива, по которой непосредственно происходит слив воды.

Водосливной носок - выступ в конце водосливной поверхности, при сходе с которого струя воды свободно сбрасывается в нижний бьеф.

Грань водослива - наивысшая линия гребня водослива.

Гребень водослива - верхняя часть водослива.

Различаются:

1) водосливы без затвора - пропускная способность водослива не регулируется и зависит только от уровня воды в водохранилище.

2) водосливы с затвором - пропускная способность водослива регулируется.

В основу классификации водосливов целесообразно положить профиль водослива, который определяет характер движения воды на водосливе. С этой позиции их можно разделить на три группы:

1) водосливы с тонкой стенкой (рис. 21а), у которых толщина стенки не влияет на форму струи (самые простые, используются для создания небольших водохранилищ). При переливе через него поток жидкости касается водослива только по верхней кромке (полный отрыв струи от стенки);

2) водосливы с широким порогом (рис. 21б), у которых на пороге в определенных сечениях поток приобретает характер параллельно струйного течения;

3) водосливы практического профиля (рис. 21в), соответствующего профилю свободной струи (используются для аварийного сброса воды на высотных плотинах). По форме такой водослив повторяет очертание потока.

Рис. 21. Классификация водосливов по форме порога (профилю водослива): а) водосливы с тонкой стенкой, б) водосливы с широкий порогом, в) водосливы практического профиля

Каждая из этих групп водосливов в свою очередь может быть разделена на подгруппы по следующим общим признакам:

а) по расположению порога в плане (прямые - расположенные перпендикулярно к направлению движению потока (рис. 22а), косые - расположенные под углом к направлению потока (рис. 22б), боковые - расположенные параллельно движению потока (рис. 22в), криволинейные (рис. 22г));



Рис. 22. Классификация водосливов по расположению порогов в плане:

а) прямой; б) косой; в) боковой; г) криволинейный

б) по условиям подхода потока к водосливу (без бокового сужения струи и с ее боковым сужением). Боковое сжатие затрудняет протекание воды через водослив, что приводит к уменьшению расходов;

в) по влиянию нижнего бьефа на расход (неподтопленные - глубина в нижнем бьефе не влияет на расход и условия протекания потока через водослив, и подтопленные, если влияние имеет место)

г) по форме водосливного отверстия (прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, криволинейные и тд.).

Наиболее часто встречаются прямые водосливы с прямоугольным вырезом. Именно такие водосливы мы и рассмотрим. Из других типов рассмотрим только водослив с тонкой стенкой с вырезом в виде угла, поскольку такой водослив часто используется как расходомер.

Гидравлический расчет водосливов основывается на базовом уравнении, представляющем собой соотношение между расходом потока Q, параметрами водослива (рис. 23) (ширина выреза b; ширина русла B, по которому вода подводится к водосливу ; высота порога со стороны верхнего бьефа Св; высота порога со стороны нижнего бьефа Сн), параметрами потока (превышение отметки потока в верхнем бьефе над отметкой порога Н; превышение отметки потока в нижнем бьефе над отметкой порога h_n и величинами, характеризующими инерцию и весомость воды (плотность и удельный вес).



Рис. 23. Водослив с широким порогом

В гидравлике принято базовое уравнение представлять в виде, удобном для определения расхода, т.е. в виде зависимости:

где в общем случае:

Величина m называется коэффициентом расхода водослива. Применительно к водосливам с тонкой стенкой в результате обработки опытных данных получено следующее выражение для коэффициента расхода m:

Эта формула применима для неподтопленных водосливов без бокового сужения струи со свободным доступом воздуха под струю (влияние h_n/H и C_H/h_п отсутствует, В/b = 1). Указанный тип водосливов с тонкой стенкой обычно называют нормальным водосливом и для коэффициента расхода используют обозначение m_н.

Водосливы с широким порогом могут быть подтопленными и неподтопленными. Расход в каждом случае рассчитывается по разным формулам. Для неподтопленных водосливов с широким порогом (в этом случае h_n/H₀ < 0,8) формулу расхода принято записывать в виде:

где:

- полный напор над порогом водослива, м;

V - средняя скорость потока в верхнем бьефе, м/с;

b - ширина порога, м.

Опыты показали, что для водослива с широким порогом коэффициент расхода m в основном определяется формой входного ребра порога и в зависимости от степени его скругления изменяется в пределах m=0,32...0,36 (меньшее значение соответствует прямоугольной форме входного ребра порога).

Расход для подтопленных водосливов с широким порогом (h_n/H₀>0,8) определяется по формуле:

Для неподтопленного водослива с тонкой стенкой и вырезом в виде угла (бычно угол берется равным 90⁰) исследования Томсона при напорах Н = 0,05...0,25 м показали, что формулу расхода можно взять в виде:



Здесь напор Н в м, расход воды Q в м³/с.

Боковое сжатие струи

Если водослив расположен в канале, ширина русла которого В больше ширины отверстия водослива b, то в расчетах следует учитывать боковое сжатие. Для водослива с тонкой стенкой этот фактор оценивается влиянием относительной ширины отверстия b/В на изменение коэффициента расхода водослива:

m₀=(0,405 + 0,003/Н - 0,03(1 - b/В))*(1 + 0,55(b/В)²(Н/(Н+Р))²)

При малых напорах (Н = 0,05…0,07 м) характер протекания через водослив изменяется, наблюдается «прилипание» струи, т.е. струя не отрывается от стенки, а стекает по ней. Такое же явление наблюдается в случае, когда не обеспечивается свободный доступ воздуха под струю.



5. Движение жидкости в открытых каналах и руслах

5.1 Классификация безнапорных потоков

Русла подразделяют по параметрам, определяющим изменение площади живого сечения по длине потока, на непризматические и призматические (и цилиндрические). У непризматических русел форма и (или) геометрические размеры поперечного профиля меняются по длине русла. Поэтому площадь живого сечения потока является функцией длины русла и функцией глубины потока вдоль русла. В таком русле движение неравномерное. В призматических руслах форма и размеры элементов поперечного профиля по длине сохраняются неизменными. Площадь живого сечения потока может изменяться только в связи с изменением глубины потока.

Рис. 24. Типы открытых русел



По форме профиля поперечного сечения русла могут быть правильной и неправильной формы. Призматические русла имеют правильную форму. Они могут быть прямоугольные, треугольные, трапецеидальные (рис. 24, а, б, в). Если поперечный профиль русла правильной формы очерчен кривой линией, окружностью (рис. 24, д) или параболой (рис. 24, г), определяемой по всей длине русла одним уравнением, то такое русло называется цилиндрическим (рис. 24, г, д). Правильную форму чаще всего имеют искусственные русла. К руслам неправильной формы относятся полигональные (составные) русла (рис. 24, ж) и русла естественных потоков (рис. 24, е).

Открытые русла в зависимости от продольного уклона дна делятся на русла с положительным (прямым) геометрическим уклоном i >0, когда дно русла понижается в направлении движения потока; горизонтальные русла при i = 0 и русла с отрицательным (обратным) уклоном дна i <0, когда дно русла повышается в направлении движения жидкости.

Подавляющее число наземных потоков являются открытыми, т.е. сообщаются с атмосферой, однако, в тех случаях, когда необходимо предотвратить потери транспортируемой жидкости от испарения (в странах с жарким климатом), водоводы перекрывают. В ряде случаев водоводы монтируются над поверхностью земли на специальных опорах и мостовых переходах, создавая тем самым акведуки.

Установившийся поток в открытом русле может быть или равномерным, или неравномерным.

Равномерный поток по всей длине имеет одинаковую среднюю скорость. Поэтому по всей длине потока площадь живого сечения остается одинаковой.

В неравномерном потоке вдоль потока изменяется средняя скорость, поэтому, хотя расход и остается постоянным, по длине потока изменяются площади живых сечений.

Основными гидравлическими характеристиками каналов являются: глубина жидкости в канале - h, ширина канала понизу - b, ширина канала поверку - В, коэффициент заложения откосов - т, площадь живого сечения канала - щ, смоченный периметр - ч, гидравлический радиус - R.

Гидравлический радиус, гидравлическая характеристика поперечного сечения потока жидкости, выражаемая отношением площади этого сечения к его смоченному периметру (т.е. к той части периметра, по которой происходит соприкосновение потока с твёрдыми стенками). Величина Г. р. изменяется в зависимости от размеров и формы поперечного сечения русла. Для заполненной трубы круглого сечения Г. р. равен четверти диаметра, для открытых русел большой ширины принимается равным средней глубине потока.

5.2 Условия равномерного движения в открытом русле

Равномерное движение жидкости характеризуется прямыми параллельными линиями токов (траекториями), а также постоянством местной осредненной во времени скорости вдоль каждой линии тока. Следовательно, для существования равномерного движения необходимо выполнение ряда условий.

На свободной поверхности безнапорных потоков устанавливается, как правило, постоянное атмосферное давление. Поэтому пьезометрический уклон I_р для таких потоков соответствует уклону свободной поверхности I_c, т. е. I_р = I_c. Для равномерных потоков пьезометрический уклон равняется гидравлическому, т. е. I_р = I. Значит, равномерное безнапорное движение возможно при соблюдении равенства:

I_р = I = I_c.



Для этого необходимо, чтобы величина скоростного напора по длине потока также оставалась бы постоянной. Этим диктуется соблюдение следующих условий:

русло - призматическое;

расход воды постоянен (Q = const);

глубина h, а следовательно, форма и площадь живого сечения щ и ч, R постоянны;

линия дна не имеет перелома, т. е. i = sin б = const, при этом i >0;

шероховатость дна и стенок русла постоянна по длине (п = const);

местные сопротивления в русле отсутствуют.

Полностью удовлетворить всем условиям возможно только в искусственных руслах.

5.3 Гидравлически наивыгоднейшее сечение канала

Гидравлически наивыгоднейшим сечением канала является сечение, способное при заданной площади обеспечить максимальную пропускную способность.

Наименьшим периметром (из всех возможных) обладает круг, и гидравлически наивыгоднейшим сечением для открытых каналов было бы сечение, имеющее форму полукруга. Далее при данной площади меньшими периметрами обладают правильные многоугольники, причем длина их периметра будет тем меньше, чем больше число сторон.

Следовательно, далее по выгодности идут различные сечения в форме половин правильных многоугольников, например половина шестиугольника, т. е. равнобочная трапеция с углом наклона боковых сторон б = 60°. Из прямоугольных профилей наивыгоднейшим является сечение в виде половины квадрата.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение часто не является экономически наивыгоднейшим. Например, полукруглые или многогранные сечения гидравлически выгоднее прямоугольного, но благодаря большей стоимости применяются значительно реже, ввиду трудности их выполнения и значительной стоимости.

На практике наиболее употребимы каналы трапецеидального сечения.

Однако в наиболее часто встречающихся случаях земляных стенок трапецеидальные сечения редко получают форму наивыгоднейшего профиля в виде половины правильного шестиугольника с углом б = 60°, так как при этом требуется крепление боковых стенок канала. Обычно этот угол выбирается в соответствии с углом естественного откоса грунта, и задача сводится к определению при заданных - площади сечения и угле откоса, соотношения между шириной и глубиной, при котором смоченный периметр будет наименьшим.

Рис. 25. Поперечное сечение трапецеидального канала

Представляя площадь трапецеидального сечения канала щ с коэффициентами откоса т₁ и т₂ как сумму прямоугольника и двух треугольников, получим:

где b - ширина канала по дну; h - глубина воды в канале; т = ctgб - коэффициент откоса канала, зависящий от рода грунта и облицовки (крепления) канала.



Ширина канала поверху:

Длина смоченного периметра:

Коэффициент откоса m принимают по данным расчета устойчивости каналов или по аналогии с существующими каналами, имеющими хорошие эксплуатационные показатели в сходных грунтовых и гидрогеологических условиях.

5.4 Расчетные скорости воды в канале

При проектировании каналов допускаемые скорости течения, так же как и при проектировании напорных трубопроводов, имеют большое экономическое значение, так как выбор скорости течения определяет размеры канала.

Крайние значения скоростей (минимальные и максимальные) ограничиваются двумя причинами. При малых скоростях сечение канала получается большим, что, увеличивая объем земляных работ, удорожает строительство. Кроме того, при малых скоростях происходит заиление канала вследствие оседания взвешенных в жидкости частиц. При больших скоростях сечение получается меньше. Это уменьшает объем земляных работ, однако при этом требуется более прочное покрытие стенок канала, что требует дополнительных затрат. Правильный выбор расчетной скорости, поэтому имеет большое значение. В каждом отдельном случае этот вопрос должен решаться конкретно с учетом всех местных условий.

Расчетные скорости не должны быть больше допускаемых. В качестве допускаемых принимаются скорости, неразмывающие грунт или одежды (укрепления откосов и дна) каналов. Значения их зависит от глубины и материала, из которого сложены стенки каналов.

Для определения неразмывающей скорости может быть рекомендована формула Б.И. Студеничникова, полученная по данным лабораторных и натурных исследований в широком диапазоне крупностей частиц несвязного грунта:

где h - глубина.

d - средневзвешенный диаметр частиц грунта (берутся в метрах)

В то же время скорости не должны быть ниже критических значений скоростей, при которых начинается выпадение наносов и происходит заиление каналов, ведущее к их зарастанию. Эти скорости называются незаиляющими.

Незаиляющие скорости в каналах могут быть ориентировочно определены по формуле Гиршкана

где k - коэффициент, изменяющийся от 0,33 до 0,55 в зависимости oт гидравлической крупности частиц (1,5-3,5 мм/c).

Гидравлическая крупность - это скорость равномерного падения частицы в неподвижной воде.

Для предотвращения зарастания канала достаточно поддержать в нем среднюю скорость течения воды не ниже 0,5 м/с. В обычных водопроводящих каналах расчетные скорости находятся в пределах 0,5 - 3 м/с в зависимости от типа грунтов или одежды канала.

В условиях зимнего режима большой опасностью на каналах может стать глубинный лед - шуга. Основная причина появления в канале шуги - переохлаждение воды. После образования ледяного покрова дальнейшее понижение температуры воздуха вызывает лишь увеличение толщины льда, но не выделение шуги. Для быстрого образования поверхностного льда необходимо скорости течения воды в каналах на этот период уменьшить до 0,5м/с. Во избежание размыва льда нормальные скорости под ним не должны превышать 1,2-1,5 м/с. При скоростях, больших 2,25 м/с, поверхностный лед в каналах не образуется.

Выбор допустимых скоростей имеет большое экономическое значение при проектировании и эксплуатации искусственных водотоков.

5.5 Гидравлический прыжок

Гидравлический прыжок, явление резкого, скачкообразного повышения уровня воды в открытом русле при переходе потока при переходе потока из так называемого бурного состояния в спокойное. Г. п. сопровождается образованием поверхностного "вальца", внутри которого сильно насыщенная воздухом жидкость находится в сложном вращательном движении. Г. п. обычно имеет место при пропуске потока через отверстия гидротехнические сооружений (водосливы, водоспуски и т.п.).

Гидравлический прыжок наблюдается, например, при вытекании потока воды из-под плотины, установленной на реке. В этом случае в самом начале русла, следующего за плотиной, уровень воды понижен, а на некотором расстоянии от плотины он повышается. Вследствие больших донных скоростей в зоне Г. п. могут появляться размывы русла.

Ученые доказали, что гидравлический прыжок - явление, которое происходит в плоской раковине, когда в нее льется вода, является хорошей физической моделью белой дыры. Этим термином называют гипотетическую противоположность черной дыры, которая не пропускает ничего внутрь себя, за пределы горизонта событий.

Рис. 26

Г. п. происходит от глубины h' меньше критической к глубине h” больше критической. Глубины h' и h” называются сопряженными. Величина a = h” - h' называется высотой прыжка, а величина lп длиной прыжка. lпп - послепрыжковый участок потока в пределах которого происходит выравнивание эпюры скоростий и снижение пульсации скоростей до нормальной величины.

Длина прыжка:

Формула Павловского

Формула Сафранеца



6. Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Грунтовыми водами в узком понимании этого определения называют свободные гравитационные воды водоносного горизонта, залегающего на первом водоупорном слое.

В зависимости от характера залегания горных пород различают грунтовой поток и грунтовой бассейн (Рис. 27). В природе наблюдаются различные сочетания этих разновидностей залегания.

Рис. 27. Схема залегания грунтовых вод:

а -- грунтовой поток, б -- грунтовой бассейн.

Воды, залегающие в водопроницаемой толще пород, заключенной между двумя водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний водоупорный слой в этом случае называется водоупорной кровлей, а нижний -- водоупорным ложем.

Скопления подземных вод отмечаются как в рыхлых обломочных породах, так и в трещиноватых массивных изверженных породах. В первом случае воды относятся к типу пластовых вод. Они обычно равномерно распределены по всему пласту и движение их осуществляется по мелким порам и пустотам между зернами, слагающими породу. Во втором случае воды называются трещинно-жильными. Распространение их и движение приурочено к трещинам и крупным пустотам. Не всегда можно четко разграничить пластовые воды и трещинные, поэтому различают трещинно-пластовые воды.

Площадь распространения грунтовых вод, за редким исключением, совпадает с площадью их питания, т. е. с областью, в пределах которой воды атмосферных осадков проникают в почву и грунт и могут пополнять запасы грунтовых вод. Площадь распространения межпластовых вод не совпадает с областью их питания. Основные области питания этих вод приурочены к местам выходов водоносной породы на земную поверхность. Дополнительное питание межпластовые воды получают за счет просачивания вод из вышерасположенных водоносных горизонтов через относительные водоупоры.

Грунтовые воды формируются:

- на междуречных массивах,

- в аллювиальных отложениях речных долин,

- в предгорных конусах выноса,

- в областях ледниковых отложений,

- в межгорных впадинах и котловинах,

- в местах накопления песчано-галечных отложений горных рек,

- в областях распространения карста.

В естественных условиях зеркало грунтовых вод представляет собой обычно не горизонтальную поверхность, а волнистую и весьма часто в сглаженной форме повторяет наземный рельеф. Это объясняется различными причинами: неоднородностью пород в отношении проницаемости как в зоне аэрации (верхняя зона земной коры между ее поверхностью и зеркалом грунтовых вод), так и в зоне насыщения (верхняя часть литосферы, в которой поры полностью заполнены гравитационной водой), различной скоростью просачивания и различными условиями питания грунтовых вод и выхода их на поверхность в местах пересечения водоносного пласта долинами рек, оврагов и т. п. К месту выхода грунтовых вод на поверхность уровень их понижается. Такое понижение уровня наблюдается и у межпластовых безнапорных вод.

(Зеркало вод, водная поверхность рек, озёр и др. водоёмов или поверхность подземных ненапорных вод. В последнем случае за З. в. принимается верхняя граница (поверхность) безнапорных подземных вод в водоносном пласте. Зеркало подземных вод наклонено в направлении движения воды и в сглаженном виде отражает рельеф поверхности. В случае, если подземные воды заполняют замкнутые понижения водоупорного ложа, их поверхность принимает горизонтальное положение. Очертания зеркала подземных вод в плане изображаются на карте с помощью гидроизогипс).

Глубина залегания грунтовых вод может быть различной: от десятков метров до 1-2 м. В последнем случае они обычно в весенний период смыкаются с почвенными водами и образуют почвенно-грунтовые воды. Разновидностью последних являются болотные грунтовые воды, зеркало которых находится в пределах торфяной залежи.

Размещено на Allbest.ru

...