3773
.pdf1
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф.Морозова»
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ.
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ ОБЪЕКТОВ ЛАНДШАФТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Методические указания к практическим занятиям для студентов по направлениям подготовки 35.03.01 – Лесное дело,
35.03.10 – Ландшафтная архитектура
Воронеж 2018
2
УДК 630*237
Гидротехнические мелиорации. Гидротехнические мелиорации объектов ландшафтного строительства [Текст] : методические указания к практическим занятиям для студентов по направлениям подготовки 35.03.01
– Лесное дело, 35.01.10 – Ландшафтная архитектура / В.И.Михин, Е. А. Михина, Т. А. Малинина, Т. П. Деденко ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 31 с.
Печатается по решению |
учебно-методического совета ФГБОУ ВО |
«ВГЛТУ» (протокол № от |
г.) |
Рецензент: проф. кафедры землеустройства и ландшафтного проектирование
ФГБОУ ВО «ВГАУ» имени императора Петра I доктор с.-х. наук . В.Д. Постолов
Ответственный редактор, заведующий кафедрой лесных культур, селекции и лесомелиорации ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» д.-р. с.-х. наук В.И. Михин
Методические указания могут быть использованы при обучении слушателей по соответствующим программам дополнительного профессионального образования.
© Михин В.И., Михина Е.А., Деденко Т.П., Малинина Т.А. 2018 © ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова»
3 |
|
|
Оглавление |
|
|
Введение………………………………………………………………………. |
4 |
|
1. Гидравлика………………………………………………………………….. |
5 |
|
1.1.Гидростатическое давление и способы его определения……………….. |
5 |
|
1.2. Физические свойства жидкости.................................................................. |
|
7 |
1.3.Определение гидростатического давления на дно и плоские |
|
|
поверхности…………………………………………………………………... |
9 |
|
1.4. Применение уравнения Бернулли .................................................................... |
|
10 |
1.5. Истечение жидкости через отверстия и насадки ...................................... |
|
13 |
1.6. Водосливы..................................................................................................... |
|
15 |
2. Равномерное движение жидкости в открытых руслах ................................ |
|
17 |
3. Гидрология и гидрометрия............................................................................. |
|
19 |
3.1.Определение объема, коэффициента и модуля стока ............................... |
|
20 |
3.2. Построение графиков частоты и обеспеченности ................ |
…………… 21 |
|
3.3. Твердый сток и заиление водохранилищ................................................... |
|
23 |
3.4. Определение скоростей и расходов воды поплавками ............................ |
|
26 |
3.5. Определение скорости и расхода воды гидрометрическими |
|
|
вертушками |
|
27 |
|
|
|
Библиографический список………………………………………………... |
30 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Гидротехнические мелиорации включает комплекс гидротехнических мероприятий, направленных на регулирование водного режима почв и заключается в осушении избыточного увлажнения земель и орошение земель с недостаточным увлажнением. Правильно построенная и хорошо эксплуатируемая мелиоративная система (оросительная и осушительная) на много лет улучшает природные условия, в которых произрастает культурные растения. Совместно с лесохозяйственными, лесокультурными и другими мероприятиями они создают базу для лесовосстановления, лесоэксплуатации, улучшения путей транспорта, изменения лесистости в засушливых регионах и тем самым повышают продуктивность как лесного, так и сельского хозяйства.
Практические занятия по гидротехническим мелиорациям имеют цель познакомить студентов с решением задач, связанных с применением теоретических разработок для достижения различных практических целей. Благодаря такому подходу студенты закрепляют свои теоретические знания и получают основные навыки изучения водного режима реки.
Всостав практических работ входит детальное ознакомление студентов
сосновами гидрологии. Для этой цели проводится решение различных задач
сприменением основных вопросов гидравлики с основами гидрологии и гидрометрии. Основной упор решения задач направлен на изучение гидростатики и гидродинамики, изучение истечения жидкости через отверстия и насадки, перелива воды через водосливы, гидравлический расчет каналов и водотоков, а также основы гидрологии и гидрометрии, способы определения скоростей и расходов воды в реках и других водотоках.
5
1. ГИДРАВЛИКА
Гидравликой называют науку, изучающую законы равновесия и движения жидкости и разрабатывающую способы применения этих законов к решению практических задач. Гидравлика подразделяется на две составные части: гидростатику и гидродинамику.
Гидростатикой называется та часть гидравлики, в которой изучаются законы покоя и равновесия жидкости. Гидродинамикой называется та часть гидравлики, в которой изучаются законы движения жидкостей.
На законах гидравлики основаны расчеты каналов, гидротехнических сооружений, водопроводов и т.д.
Гидротехнические мелиорации – дисциплина, которая позволит несколько расширить кругозор в специальных дисциплинах.
Курс гидротехнических мелиораций включает в себя следующие основные разделы: осушение, орошение, обводнение (мероприятия) и борьба с неблагоприятными природными явлениями (оползни, сели, засоление, заболачивание и т. д.). Теоретические основы дисциплины включают три раздела: гидравлику (основу гидротехническихмелиораций), гидрологию и гидрометрию.
1.1. Гидростатическое давление и способы его определения
Гидравлика – раздел дисциплины с расчётом любых гидротехнических сооружений. Очень узкий смысл слова гидравлика – вода в трубе. Более широкое понятие этого слова – вода в каналах, шлюзах, колодцах и т.д.
Что такое вода? Это жидкость или, точнее, физическое вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в который оно помещено. Текучесть – основной признак жидкости. Её отличие от твердых тел в том, что у жидкостей малая сила сцепления между частицами. Жидкости способны сохранять почти неизменным объём и оказывают сопротивление силам сжатия и растяжения.
Жидкость характеризуют три основных показателя:
1. Объёмный вес или вес единицы объёма воды при температуре 4 0С равен единице; 1 см3, дм3, м3 соответственно равны 1 грамму, килограмму, тонне.
6
При нагревании от 0 до 100 градусов объёмный вес – const. При расчётах: объёмный вес – это отношение веса к объёму:
= σ/w, н/м3.
2.Плотность – это отношение массы к объёму:
= m/ w, кг/м3.
3.При движении жидкости внутри её возникают силы трения. Вязкость
–это способность оказывать сопротивление силам трения или, по-другому, –
это характеристика реально существующей жидкости, обозначается буквой (ню) – υ.
Итак, гидравлика подразделяется на два подраздела – гидростатику и гидродинамику. Гидростатика рассматривает жидкость, находящуюся в состоянии покоя и равновесия, например, жидкость, находящаяся в сосуде. На жидкость в состоянии покоя действуют две категории сил: внешние силы
– сюда относятся такие силы, как атмосферное давление, давление поршня и т. д., и внутренние силы – силы тяжести самой жидкости.
Возьмём каплю жидкости. На каплю действует только одна поверхностная или внешняя сила (атмосферное давление). В этом случае гидростатическое давление будет равно
Pср = Po/ , где 0.
Вернёмся к гидростатическому давлению внутри сосуда с жидкостью. Под действием двух внешних (поверхностных и массовых) сил внутри покоящейся жидкости возникает давление, которое называется гидростатическим. Поверхностные силы, в данном случае Ро – атмосферное
давление. Массовые силы – вес ( h) самой жидкости. Отсюда полное гидростатическое давление (Р) равно сумме поверхностных (Ро) и массовых
( h) сил на единицу площади (F):
Р = (Ро+ h) F.
Массовые силы ( h) по-другому называют избыточным гидростатическим давлением, то есть избыток давления внутри жидкости над свободной поверхностью. Гидростатическое давление в точке определяется как
Р = Ро+ h.
Это и есть основное уравнение гидростатики, которое показывает
7
полную или абсолютную величину гидростатического давления.
1.2 Физические свойства жидкости
Задача № 1 |
|
Объём воды w = 1,2 м3 |
G = w |
Объёмный вес воды = 997 кг/м3 |
G = 1,2 м3 * 997 кг/м3 = 1196,4 кг |
Определить вес воды. |
|
Ответ: G = 1196,4 кг |
|
Задача № 2
Определить полное, избыточное и манометрическое давление в точке А, находящейся на глубине h = 1,5 м при свободной поверхности. Жидкость – пресная вода.
На свободную поверхность действует
атмосферное давление Ра.
Решение. 1. Полное гидростатическое давление определяется по формуле
Р = Ро+ h,
где Ро = Ра = 1,03 * 105 Па;
= 0,001 кг/см2; Н = 150 см.
отсюда: Р = 1,03 * 105 Па * 0,001 кг/см2 * 150 см = 1,18 * 105 Па.
2. Избыточное гидростатическое давление Риз = Р – Ро = 1,18 * 105 Па – 1,03 * 105 Па = 0,15 * 105 Па.
3. Манометрическое давление
PM = Po – Pa = 2,03*105Па – 1,03*105Па = 1,00*105 Па.
Задача № 3
Определить все виды гидростатического давления в банке с нефтью на глубине
h = 2,0 м, если на свободной поверхности нефти давление с учётом атмосферного Ро = Р + Ра = 2,03 * 105
8
Па. Вес единицы объёма нефти н = 0,9 т/м3.
Решение. 1. Полное гидростатическое давление
Р = Ро+ h = 2,03 * 105 Па + 0,9 * 105 Па = 3,8 * 105 Па.
2. |
Избыточное гидростатическое давление |
Риз = h = 0,9 т/м3 * 2 = 1,8 т/м3 = 0,18 кг/см2 = 0,18 * 105 Па. |
|
3. |
Манометрическое давление на глубине 2 м |
Рм = Р – Ра = 3,8 * 105 Па – 1,03 * 105 Па = 2,77 * 105 Па. |
|
4. |
Манометрическое давление на свободной поверхности Рм |
= Р – Ра = 2,03 * 105 Па – 1,03 * 105 Па = 1,00 * 105 Па.
Задача № 4
В закрытом сосуде давление на свободную поверхность Ро = 1,25 * 105 Па. На какую высоту поднимется вода в пьезометре, сообщающемся с сосудом на глубине h = 2,5 м
и под свободной поверхностью?
Решение. Пьезометрическую высоту определим Р = Ро+ h = Ро+ hр.
hр = (Ро+ h – Ра = (1,25 * 105 Па + 0,001 кг/см2 *
250 см –
– 1,03 * 105 Па) / 0,001 кг/см2 = 470 си = 4,7 м.
Задача № 5
Два сообщающихся сосуда. В сосуд 1 налита ртуть высотой 0,2 м, а в сосуд 2– вода. Определить высоту столба воды в сосуде 2.
Решение. Для ртути рт = 13,6 т/м3; для воды = 1 т/м3 Следовательно, h2= ( рт * h1 )/ в = (13,6
9
т/м3 * 0,2 м)/ 1 т/м3 = 2,72 м.
Задача № 6
В сосуде А часть воздуха выкачана и давление в нем Р = 0,4 * 105 Па. Сосуд А соединён трубкой с водой с сосудом В, свободная поверхность которой находится под влиянием атмосферы. Определить высоту hб.
Решение. Высота водяного столба в трубке определяется из уравнения
hб = ( Ра– Рраз) / ;
где |
Ра = 1,00 * 105 Па; Рраз = 0,4 * 105 Па; |
= 0,001 кг/см2; |
|
тогда |
hб = (1,0 * 105 Па – 0,4 * 105 Па)/ 0,001 кг/см2 = 600 см = 6 м. |
1.3.Определение гидростатического давления на дно и плоские поверхности
Задача № 1
Давление на боковые поверхности с горизонтальным дном или нулевым уклоном. Глубина воды в канале h. Какую силу испытывает щит, перекрывающий канал? Развернем щит, найдем центр тяжести. Спроектировав точку С на щит, найдём глубину центра тяжести С = hс. Известно: h = 2 м, а = 3 м, в = 2 м, = 1 т/м3.
Решение. Р = (Ро+ h) F, Р = (Рат+ hс) F, Р = hсF,
где: F = ав, Р = 1 т/м3 * 1м * 2 м * 3 м = 6 т.
10
Задача № 2
Чему равна техническая атмосфера?
Р= 1 кг/см2
Р= hр, hр = Р/
Hр - ?
hр = 1 кг/см2/0,001 кг/м2 = 1000 см = 10 м вод. ст.
Задача № 3
Два открытых сообщающихся сосуда заполнены водой и ртутью. Определить разность уровней в обоих сосудах, если высота столба ртути над плоскостью раздела составляет
hрт = 80 см, рт= 13,6 г/см3. h = ?
Решение.
Рат+ вhв = Рат+ ртhрт; вhв = ртhрт;hв= ртhрт/ в;
hв= 13,6 г/см3 * 80 см / 1г/см3 =1088 см; h = 1088 – 80 = 1008 см.
1.4. Применение уравнения Бернулли
Основное уравнение гидродинамики отражает закон сохранения энергии для движущейся жидкости. Эту задачу решил выдающийся учёный Даниил Бернулли в 1738 году на основании применения закона живых сил. Удельная энергия потока складывается из удельной кинетической (ek) и
удельной потенциальной (en) энергий:
|
E=ek + en. |
При движении массы (m) воды со скоростью V развивается |
|
кинетическая энергия |
ek = mv2/2; mg =v2/2g. |
Потенциальная энергия равна произведению веса тел (mq) на высоту поднятия потока Z (геометрическая высота потока):
en= mgz/mg = Z