Лекція №9

1. Особливості руху рідини у відкритих руслах. Розрахункова формула.

2. Формули для визначення коефіцієнта Шезі.

3. Розподіл швидкостей по перерізу потоку. Допустимі швидкості руху.

4. Гідравлічно найвигідніший переріз каналу.

5. Гідравлічний розрахунок каналів.

6. Види руху води в ґрунтах. Закон фільтрації.

7. Приплив ґрунтових вод до свердловин.

ОСОБЛИВОСТІ РУХУ РІДИНИ У ВІДКРИТИХ РУСЛАХ. РОЗРАХУНКОВА ФОРМУЛА

Відкриті русла можуть бути природними або штучними. До природних відкритих русел відносяться ріки та струмки, до штучних - канали, канави, безнапірні труби (каналізаційні, дренажні та ін.), гідротехнічні тунелі та т.д.

Особливість руху у відкритому руслі полягає в тім, що потік тут обмежений не з усіх боків, а має вільну поверхню, всі точки якої є під впливом однакового зовнішнього тиску (атмосферного). Ми будемо розглядати рівномірний рух у відкритих руслах, тобто такий рух, при якому глибина, площа живого перерізу, середня та місцева швидкості потоку по довжині його постійні. При рівномірному русі рідини у відкритому руслі гідравлічний і п’єзометричний ухили, а також ухил дна русла _д рівні між собою.

Втрати напору у відкритому руслі можуть бути визначені за формулою:

.

Беручи до уваги, що , можна одержати:

.

Позначаючи ,можемо написати:

.

Цю формулу називають формулою Шезі по імені французького гідравліка, який запропонував її в 1775 р. Швидкісний множник С називають коефіцієнтом Шезі.

Використовуючи формулу для витрати , одержимо основну залежність, застосовувану при гідравлічному розрахунку відкритих русел:

.

|ФОРМУЛИ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ШЕЗІ С

Коефіцієнт Шезі С, який входить в основні розрахункові формули рівномірного руху у відкритих руслах, можна визначати по ряду емпіричних формул.

Широке поширення для визначення коефіцієнта Шезі С одержала формула Павловського

,

де п - коефіцієнт шорсткості; R - гідравлічний радіус, м; у - показник ступеня, обчислений за формулою:

.

Формула заснована на великому дослідному матеріалі та добре підтверджується на практиці.

У ряді випадків для підрахунку коефіцієнта Шезі С застосовують формулу Маннинга:

При розрахунку іригаційних каналів рекомендується користуватися формулою Агроскина:

.

Розрахунок каналів і лотків, що мають порівняно гладкі стінки, рекомендується виконувати за формулою Альтшуля, яка являє собою узагальнену залежність, справедливу для всієї області турбулентного режиму руху:

,

де R - гідравлічний радіус, мм; - наведена лінійна шорсткість, мм.

РОЗПОДІЛ ШВИДКОСТЕЙ ПО ПЕРЕРІЗУ ПОТОКУ. ДОПУСТИМІ ШВИДКОСТІ РУХУ

У відкритих руслах швидкість зростає від дна до поверхні та від берегів до осі потоку. Максимальна швидкість звичайно спостерігається на поверхні (и_пов на рис. 47).

Розподіл швидкостей у широких відкритих руслах задовільно описується емпіричною формулою Базена

,

де - місцева швидкість на відстані у від дна; - середня швидкість у перерізі потоку; С - коефіцієнт Шезі; Н - глибина потоку.

З даної формули випливає ряд взаємозв'язків, важливих для практичних цілей (визначивши и_пов і и_д, можна знайти ):

,

,

де и_д – швидкість у дна русла (донна швидкість).

Рис. 47. Розподіл швидкостей по перерізу потоку у відкритому руслі

У каналах недопустимі швидкості руху, при яких відбувається замулення або розмив русел. У зв'язку із цим для них установлюють мінімально допустимі швидкості v_min (незамулюючі) і максимально допустимі швидкості v_max (нерозмиваючі).

Незамулюючу швидкість можна визначити за емпіричною формулою

,

де - коефіцієнт, який залежить від характеру зважених наносів; що переносяться; значення його коливається від 0,77 (великі піщані наноси) до 0,37 (дуже дрібні наноси).

Нерозмиваюча швидкість залежить від виду ґрунту або матеріалу, який складає ложе потоку.

ГІДРАВЛІЧНО НАЙВИГІДНІШИЙ ПЕРЕРІЗ КАНАЛУ

Гідравлічно найвигіднішим перерізом каналу називається такий, котрий при однакових з іншими перерізами площі живого перерізу потоку, шорсткості та ухилі дна має найбільшу пропускну здатність. Очевидно, що гідравлічно найвигідніший переріз при заданому ухилі пропустить дану витрату при найменшій площі живого перерізу. Отже, для будівництва каналу буде потрібно виконання найменшого об’єму земляних робіт і канал буде найбільш дешевим.

Розглянемо формулу витрати в наступному запису:

.

При постійних значеннях , , п і, отже, С (у квадратичній області опору) витрата залежить тільки від змоченого периметра . Таким чином, гідравлічно найвигідніший переріз каналу повинний мати найменший змочений периметр.

Із зображених на рис. 48 форм поперечного перерізу найменшим периметром при однаковій площі живого перерізу володіє напівкруглий переріз, що і є гідравлічно найвигіднішим. Однак напівкруглий переріз у ґрунті нездійсненно. Нездійсненно в ґрунті й прямокутний переріз. Тому на практиці перерізу каналу надають звичайно трапецеїдальну форму.

Рис. 48. Форми поперечного перерізу відкритих русел

Гідравлічно найвигідніший переріз каналу трапецеїдальної форми забезпечується при співвідношеннях

и

.

Для каналів із прямокутною формою поперечного перерізу гідравлічно найвигідніший переріз забезпечується за умови

.

ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК КАНАЛІВ

Гідравлічний розрахунок каналів виконують за формулами рівномірного руху

и.

Уводячи позначення

,

,

одержуємо

,

,

де та - швидкісна та витратна характеристики.

Необхідно помітити, що характеристики W і К для каналів певного профілю та розміру, виконаних із певного матеріалу або в певному ґрунті, мають постійні значення. Використання понять швидкісних і витратних характеристик значно спрощує гідравлічний розрахунок каналів.

Нижче зазначені методики рішення основних задач за розрахунками каналів.

1. Дані ухил каналу , ширина каналу по дну , глибина потоку , закладення укосів каналу т, а також коефіцієнт шорсткості п. Необхідно визначити витрату Q.

По наведених раніше формулах знаходять , , R і С, а потім визначають К за формулою . Витрату обчислюють за формулою . Витрата може бути також визначена і безпосередньо за залежністю .

2. Дані витрата Q, ширина каналу по дну , глибин потік , закладення укосів каналу т, а також коефіцієнт шорсткості п. Необхідно визначити ухил каналу .

Знаходять , , R і С, а потім визначають К. Далі визначають ухил за формулою .

3. Дані витрата Q, ухил , закладення укосів каналу т і коефіцієнт шорсткості п. Необхідно визначити ширину каналу по дну і глибину його наповнення , приймаючи профіль каналу гідравлічно найвигіднішим.

Цю задачу завдання вирішують методом підбора. По рівнянню визначають співвідношення та . Потім, задаючись різними значеннями глибини , підраховують відповідні величини ширини каналу по дну, при яких живий переріз було б гідравлічно найвигіднішим, і визначають витратні характеристики К, відкладаючи їх на графіку залежності К від . Шукане значення h відповідає на графіку витратній характеристиці К, визначеної за заданим значенням Q і i: .

Аналогічно вирішують завдання по визначенню одного з розмірів перерізу каналу, коли інший є заданим.