пласте прочищаются поры, образуются трещины облегчающие доступ нефти или газа к забою скважины. Этот процесс называют гидравлическим разрывом пласта, а способ его получения за cчет гидравлического удара – имплозионным (от лат. «implosivus» смыкание). Существуют имплозионные устройства, способные создавать многократные гидравлические удары без подъема их на поверхность. Для того чтобы воздействовать на призабойную зону пласта меньшими давлениями по величине, но большими по частоте повторения гидравлическими ударами, используют гидравлические вибраторы. Один из них представляет собой турбинку, работающую за счет закачиваемой с поверхности жидкости. Ее вращающийся золотник периодически открывает и закрывает выходные отверстия для жидкости, создавая повторяющиеся гидравлические удары [10].
10. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ
10.1. Общие сведения о типах открытых русел и видах движения жидкости
Открытыми руслами являются потоки, имеющие свободную поверхность. Характер движения жидкости в открытом русле, форма и уклон свободной поверхности, глубина потока зависят от типа, размеров, формы сечения русла, уклона дна. В открытых руслах со свободной поверхностью, в трубопроводах, тоннелях, каналах замкнутого сечения с частичным заполнением сечения или при заполнении всего сечения, если давление на верхней образующей по длине трубопровода равно атмосферному, движение жидкости под действием составляющей силы тяжести является безнапорным.
Открытые русла могут быть классифицированы по параметрам, определяющим изменение площади живого сечения потока на непризматические и призматические (цилиндрические).
У непризматических, русел, форма или геометрические размеры какого-либо элемента поперечного профиля меняются по длине, поэтому площадь живого сечения потока w будет функцией как длины русла, (вследствие изменения формы или размеров сечении), так и функцией глубины потока вдоль русла, т. е w=w (h, l), при этом [3]:
δ w |
= |
δ w |
|
dh |
+ |
δ w |
= B |
dh |
+ |
δ w |
, |
(10.1) |
δ λ |
δ h |
dl |
δ l |
dl |
δ l |
где В – ширина живого сечения (рис. 10.1).
43
Давая глубине h в некотором фиксированном сечении бесконечно малое приращение dh, получаем приращение площади живого сечения dw = Bdh, или:
dw |
= B . |
(10.2) |
dh |
|
|
В призматических руслах форма и размеры элементов поперечного профиля по длине сохраняются постоянными, и площадь живого сечения потока может изменяться только в связи с изменением глубины h, т. е.
w=w (h). Следовательно, для призматического русла dwdl = 0 и выражение 10.1 принимает вид:
dw |
= |
B × |
dh . |
(10.3) |
dl |
|
|
d |
|
По форме профиля поперечного сечения открытые русла подразделяются на русла правильной и неправильной формы.
К руслам правильной формы поперечного сечения относятся такие, для которых элементы живого сечения потока (w, χ, R, В) в любом створе являются непрерывными функциями глубины потока, сохраняющими свое выражение во всем диапазоне изменения глубины. Этому условию удовлетворяет большинство искусственных русел – прямоугольные, треугольные, параболические, круговые при
наполнении h<r.
К руслам неправильной формы
относятся открытые русла полигонального профиля (рис. 10.2, а), русла замкнутого профиля любой формы в диапазоне значительных наполнений (например, круговой, при h>r). Например, для русел замкнутого
профиля (рис. 10.2, б) зависимость B=B(h) вначале возрастает, а затем убывает, а для русла составного профиля (рис. 10.2 а) эта зависимость вначале является возрастающей, а при глубинах h>h1 ширина В не изменяется [3].
По знаку продольного уклона дна русла открытые русла делятся на русла с прямым уклоном дна (i0>0), когда дно русла понижается в направлении потока; горизонтальные русла (i0=0) и, русла с обратным
44
уклоном дна (i0<0), когда дно русла повышается в направлении движения жидкости [3].
Рис. 10.2. Открытые русла а) полигонального и б) замкнутого профиля
Рассмотрим установившееся движение с неизменным во времени расходом жидкости, а также неизменной средней скоростью течения в различных живых сечениях вдоль потока. Постоянство расхода и средней скорости влечет за собой и постоянство живых сечений вдоль потока. Совокупность этих условий характеризует истечение потока в условиях равномерного движения. Иными словами, при равномерном течении потока отсутствует ускорение вдоль него – жидкость не разгоняется и не тормозится вдоль пути следования. Постоянство поперечных сечений в искусственных руслах предопределяет и постоянство глубин вдоль потока hl = h2 = ...=kn при равномерном движении. Так как средняя скорость постоянна, то постоянна и скоростные напоры между сечениями 1–1 и 2–2: v2/2g=const а при этом линия гидродинамического напора Е–Е и пьезометрическая линия р–р параллельны. При постоянных глубинах свободная поверхность потока и дно канала параллельны, следовательно, равны уклоны гидравлический, пьезометрический (свободной поверхности) и дна (I=Ip=i0). Уклон дна i0 = sin α (α – угол наклона дна водотока к горизонту).
Равномерное движение жидкости, в том числе и в открытом русле, характеризуется прямыми параллельными линиями токов (траекториями), а также постоянством местной осредненной во времени скорости вдоль каждой линии тока. Из этого следует, что для существования равномерного движения необходимо выполнение ряда условий:
1 – русло должно быть призматическим; 2 – по длине русла шероховатость дна и откосов должна
сохраняться неизменной;
3 – уклон дна русла должен быть положительным (i0>0), чтобы составляющая силы тяжести была направлена в сторону движении.
45
Первые два условия являются достаточными для существования равномерного напорного движения. Для обеспечения безнапорного равномерного движения они являются необходимыми, а достаточным становится третье условие.
Удовлетворять этим условиям могут только искусственные русла. Участки русел, где движение равномерное, должны располагаться на достаточном удалении от участков, вызывающих местные деформации потока. При равномерном движении в открытых руслах глубина потока вдоль русла сохраняется неизменной, поперечное сечение остается более или менее постоянным, так же как и уклон дна, все это возможно лишь на коротких участках, поэтому рассмотрим равномерное движение воды в искусственных руслах – каналах, лотках
Канал (от лат. canalis – труба, жёлоб) – это искусственное русло (водовод) правильной формы с безнапорным движением воды, устроенное в грунте. Каналы сооружают в открытой выемке или в насыпи (при пересечении балок, оврагов и др.), иногда – в полувыемкеполунасыпи (на косогоре). По назначению различают каналы судоходные (искусственные водные пути), энергетические (деривационные), оросительные (ирригационные), обводнительные, осушительные, водопроводные, лесосплавные, рыбоводные, комплексного назначения [6].
Форма канала зависят от его назначения, строительных свойств грунтов, условии производства земляных работ и др. Наиболее распространённые формы сечений каналов, сооружаемых в мягких грунтах, – трапецеидальная и полигональная (рис. 10.3).
Прямоугольное сечение целесообразно при строительстве каналов в скальных грунтах. Иногда (например, при прохождении трассы канала в пределах населённых пунктов, на
косогорных участках и т.д.) Рис. 10.3. Формы поперечных сечений
прямоугольное сечение в каналов мягких грунтах
обеспечивается сооружением вертикальных подпорных стенок.
Размеры сечения каналов определяются гидравлическим расчётом по заданному расходу воды и допустимым для условий данного канала скоростям течения, а для судоходных и лесосплавных каналов, кроме того, – габаритами пропускаемых судов и плотов.
46