Донбаська національна академія будівництва і архітектури

В.И. Нездойминов, Л.Г. Зайченко, В.С. Рожков, Н.Н. Голоденко

ГИДРАВЛИКА, ГИДРОЛОГИЯ

И ГИДРОМЕТРИЯ

Учебное пособие

Макіївка

Видавництво “Ноулідж”

Донецьке відділення

УДК 621.22(075.8)

ББК 30.123я73

Г75

Гидравлика, гидрология и гидрометрия: Учебное пособие для студентов инженерно-технических и строительных вузов / В.И. Нездойминов, Л.Г. Зайченко, В.С. Рожков, Н.Н. Голоденко. – Макеевка: Изд-во «Ноулидж» (Донецкое отделение), 2014. – 288 с.

 

Пособие содержит краткие сведения по гидравлике, гидрологии и гидрометрии. Материал отдельных разделов систематизирован и обобщен в виде таблиц, создавая общую картину темы, раскрывая логические связи между ее составляющими, что особенно важно при решении задач и выполнении практических заданий. Для лучшего усвоения материала отдельные темы сопровождаются примерами наиболее употребительных в инженерной практике расчетов. В пособии нашли отражение результаты научных исследований авторов, используемые в учебном процессе.

Учебное пособие предназначено для студентов инженерно-технических и строительных высших учебных заведений направления подготовки “Гидротехника (Водные ресурсы)” и “Строительство”. Пособие может быть полезным также для специалистов, работающих в проектных, строительных, эксплуатационных учреждениях систем водоснабжения и водоотвода, гидротехники, мелиорации, дорожного водоотвода.

 

Гідравліка, гідрологія і гідрометрія: Навчальний посібник / В.І. Нездоймінов, Л.Г. Зайченко, В.С. Рожков, М.М. Голоденко. – Макіївка: Вид-во «Ноулідж» (Донецьке відділення), 2014. – 288 с.

 

Посібник містить короткі відомості з гідравліки, гідрології і гідрометрії. Матеріал окремих розділів систематизований і узагальнений у вигляді таблиць, створюючи загальну картину теми, розкриваючи логічні зв’язки між її складовими, що особливо важливо при розв’язанні задач та вирішенні практичних завдань. Для кращого засвоєння матеріалу окремі теми супроводжуються прикладами розрахунків, які найчастіше зустрічаються в інженерній практиці. У посібнику знайшли відображення результати наукових досліджень авторів, що використовуються в навчальному процесі.

Навчальний посібник призначений для студентів інженерно-технічних і будівельних вищих навчальних закладів напряму підготовки “Гідротехніка (Водні ресурси)” та “Будівництво”. Посібник може бути корисним також для фахівців, що працюють у проектних, будівельних, експлуатаційних установах систем водопостачання та водовідведення, гідротехніки, меліорації, шляхового водовідводу.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….....
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ …………………
ТЕМА 1.1. Текучесть. Плотность и удельный вес ……………………..
ТЕМА 1.2. Вязкость ………………………………………………………..
ТЕМА 1.3. Давление ………………………………………………………..
ТЕМА 1.4. Уравнения Эйлера …………………………………………….
РАЗДЕЛ 2. ГИДРОСТАТИКА ……………………………………………
ТЕМА 2.1. Дифференциальные уравнения гидростатики ……………
ТЕМА 2.2. Напор …………………………………………………………...
ТЕМА 2.3. Давление жидкости на плоскую поверхность …………….
ТЕМА 2.4. Давление жидкости на криволинейную поверхность ……
РАЗДЕЛ 3. КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ЖИДКОСТИ ………….
ТЕМА 3.1. Уравнение неразрывности. Режимы течения ……………..
ТЕМА 3.2. Уравнение Бернулли ………………………………………….
ТЕМА 3.3. Импульс жидкости ……………………………………………
ТЕМА 3.4. Потери напора по длине ……………………………………...
ТЕМА 3.5. Потери напора в местных сопротивлениях ……………….
ТЕМА 3.6. Расчёт трубопроводов ………………………………………...
ТЕМА 3.7. Гидравлический удар ………………………………………...
ТЕМА 3.8. Истечение из отверстий ………………………………………
РАЗДЕЛ 4. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРАВЛИКА …………………………...
ТЕМА 4.1. Равномерное течение в открытых руслах …………………
ТЕМА 4.2. Безнапорные русла замкнутого сечения …………………...
ТЕМА 4.3. Удельная энергия сечения и критическая глубина ……...
ТЕМА 4.4. Установившееся неравномерное течение ………….............
ТЕМА 4.5. Гидравлический прыжок ……………………………………
ТЕМА 4.6. Водосливы ……………………………………………………...
ТЕМА 4.7. Сопряжение бьефов …………………………………………...
ТЕМА 4.8. Движение воды в пористой среде …………………………...
ТЕМА 4.9. Гидравлическое моделирование …………………………….
РАЗДЕЛ 5. ГИДРОЛОГИЯ ……………………………………………….
ТЕМА 5.1. Круговорот воды в природе …………………………………
ТЕМА 5.2. Гидрография Донецкой области ……………………………
ТЕМА 5.3. Река ……………………………………………………………..
ТЕМА 5.4. Факторы стока ………………………………………………...
ТЕМА 5.5. Речные наносы ………………………………………………..
РАЗДЕЛ 6. РЕЧНАЯ ГИДРОМЕТРИЯ ………………………………….
ТЕМА 6.1. Гидрометрические работы …………………………………..
ТЕМА 6.2. Определение расхода воды в реке …………………………..
ТЕМА 6.3. Определение расхода и стока наносов ……………………..
РАЗДЕЛ 7. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ ………………………..
ТЕМА 7.1. Расчётные гидрографы полноводий и паводков …………
ТЕМА 7.2. Малые мосты …………………………………………………..
ТЕМА 7.3. Водопропускные (дорожные) трубы ………………………..
ТЕМА 7.4. Акведуки и дюкеры …………………………………………..
ТЕМА 7.5. Поверхностные и подземные водоводы ……………………
ВАЖНЕЙШИЕ ФОРМУЛЫ ……………………………………………...
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………………...

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлика (от греч. “вода” + “трубка”) — прикладная наука о законах движения (гидродинамика капельных жидкостей и газов) и равновесии жидкостей (гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики (инженерная гидравлика).

В отличие от гидромеханики (раздел точной науки – механики сплошных сред), гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей; она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Гидрология — наука о водах земного шара и происходящих в них процессах.

Гидрология, как наука, состоит из нескольких частей:

Океанология.

Гидрология суши.

Гляциология.

Гидрогеология.

Озероведение.

Болотоведение.

Вопросы, которые изучает гидрология:

Оценка водных ресурсов и их изменения во времени.

Определение расхода воды.

Расчет испарения.

Исследование вопросов формирования русел рек.

Ледовый режим водотоков.

Водный баланс водотоков.

Прогноз основных гидрологических режимов.

Учет влияния строительства сооружений на режим рек.

Без учета этих вопросов не может быть запроектировано ни одно гидротехническое сооружение. Эти задачи (вопросы) в гидрологии решаются на основе непрерывных и многолетних наблюдений и исследований, которые выполняются сетью гидрологических станций и постов Главного управления гидрологической службы.

Все гидрологические параметры – величины переменные, а поэтому приходится прибегать и к математическому анализу и теории вероятности. Считаются достаточными наблюдения за 50-100 лет.

Гидромéтрия (от греч. “вода” и “измеряю”) — раздел гидрологии суши, занимающийся измерением элементов гидрологического режима, способами и приборами этих измерений, а также методами обработки полученных результатов, их сбора, хранения и публикации.

Гидрометрией также называется совокупность методов определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости.

К задачам гидрометрии относятся измерения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости; пульсаций скоростей и давлений; элементов волн; гидравлических уклонов; мутности потока (концентрации наносов); расходов воды, наносов и гидросмеси; элементов, характеризующих термический и ледовый режим потоков и др.

Самые первые сведения о том, как люди научились строить плотины и дамбы, прокладывать каналы, направлять течение рек и создавать системы водоснабжения, обнаружены в письменных источниках древних народов, населяющих Египет, Месопотамию, Индию и Китай.

Появление водопровода во многом обусловлено природными явлениями, в частности, неравномерным и нерегулярным выпадением осадков. Такая ситуация была характерна для Месопотамии и Египта.

Например, в Месопотамии 2 месяца в году шли беспрерывные проливные дожди, а остальные 10 месяцев царила засуха. Разливы рек и дожди приносили огромное количество воды, которую необходимо было собрать и удержать.

Из-за таких особенностей климата уже в IV тысячелетии до н. э. древние египтяне и жители Месопотамии стали сооружать примитивные оросительные системы (каналы, водохранилища, плотины), которые позволяли не только получать обильные урожаи, но и значительно расширять посевные площади. Такие оросительные Системы повышали производительность земледельческого труда и, соответственно, способствовали развитию земледелия.

Археологические находки также доказывают, что задолго до нашей эры человечество многое знало о воде и ее свойствах, хотя эти знания не были научными.

В государстве Урарту была обнаружена система каналов, сооруженная в VII в. до н. э. Ее использовали для отвода воды самотеком из источников на довольно большие расстояния. В горах высекали туннели, через реки возводили акведуки, представляющие собой мосты с уложенными поверху водоводами в виде труб.

Основы же создания централизованных систем водоснабжения были заложены позже - в период греко-римской цивилизации.

В Древнем Риме первый водопровод длиной 16,5 км появился в 312 г. до н. э. Водопровод значительно облегчил водоснабжение жителей столицы, которые ранее пользовались речной, ключевой и дождевой водой, принося ее в свои дома в специальных сосудах и храня в больших ёмкостях.

Необходимо отметить, что система водоснабжения, созданная в Риме, по сей день исправно действует.

На Руси первый водопровод появился в 1492 г. Он предназначался для поставки воды в Московский кремль и являлся самотечным. И лишь в 1804 г. в Москве был введен в действие первый централизованный водопровод.

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду.

Одним из образчиков знаний древних (за 200 лет до н. э.) в области гидростатики и аэростатики является фонтан Герона (рис. В.1), придуманный Героном Александрийским.

Рис. В.1. Фонтан Герона.

 

Прибор состоит из трёх сосудов, помещённых прямо один над другим и сообщающихся между собой; два нижних закрытые, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода, а также и в средний сосуд, через отверстие в дне чаши, потом закрываемое. По открытой трубке, идущей от дна чаши почти до дна самого нижнего сосуда, вода течёт из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает тем его упругость. Нижний сосуд сообщён со средним посредством открытой трубочки, начинающейся в верхнем дне его и идущей до верхнего дна среднего сосуда, так что находящийся здесь над поверхностью воды воздух также сжимается. Производя давление на воду, воздух заставляет её подниматься из среднего сосуда по особой трубке, проведённой почти от его дна в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан. Высота фонтана, в идеальных условиях, равна разнице уровней поверхности воды в среднем и нижнем сосудах. Но трение жидкости, движущейся в трубках, и другие причины уменьшают высоту фонтана. Вода фонтана, падающая в чашу, течёт из неё по трубке в нижнее отделение прибора, где уровень воды постепенно повышается, и потому высота давящего столба, измеряемая от названного уровня до уровня воды в чаше, постепенно уменьшается; уровень же воды в среднем сосуде, по мере расходования воды фонтаном, понижается. По этим двум причинам высота фонтана постепенно убывает и, наконец, движение воды прекращается.

Столб воды, от её поверхности в верхнем сосуде до её поверхности в нижнем, создает избыточное давление в нижнем сосуде. Сжатый воздух из нижнего сосуда передает полученное избыточное давление в средний. Полученное избыточное давление в среднем сосуде вытесняет из него воду на ту же высоту, которая это давление создала. В результате вода из среднего сосуда вытесняется до ее уровня в верхнем сосуде, но этого уровня не достаточно чтобы скомпенсировать давление, созданное начальным столбом воды, на высоту равную разнице уровней воды в среднем и нижнем сосудах - поэтому образовывается фонтан.

Однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках Галилей и Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Бернулли и Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях. В связи с этим с конца XVIII века многие учёные и инженеры (Шези, Дарси, Базен, Вейсбах и др.) опытным путём изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего наука обогатилась значительным числом эмпирических формул. Практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX века в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока.

Особо заслуживают упоминания работы Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Прандтля, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение.

К этому же периоду относятся исследования Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.