Истечение воды из отверстий, насадков, водосливов и коротких труб

В гидротехнической практике с такими видами движения воды приходится встречаться при устройстве шлюзов, водосливов, трубопереездов, дюкеров, расчете фонтанов и пр.

Истечение воды из отверстий. Вытекающая струя может выходить в атмосферу или поступать под уровень жидкости. На выходе струи происходит ее сжатие и уменьшение живого сечения жидкости. Сжатие струи характеризуется коэффициентом сжатия , представляющим собой отношение сжатого живого сечения со к площади отверстия

В идеальном случае при постоянном напоре скорость истечения воды из отверстия можно определить по формуле Торичелли, м/с:

       (43)

где g - ускорение свободного падения, м/с; Н - напор над центром отверстия, м.

Вследствие сжатия струи происходят потеря напора и снижение скорости, поэтому необходимо ввести коэффициент скорости . Расход через отверстие определяют по формуле:

             (44)

Коэффициент сжатия и коэффициент скорости, определяющие расход, можно заменить коэффициентом расхода :

              (45)

Обычно коэффициенты сжатия, скорости и расхода мало меняются и их можно приближенно принять такими:  = 0,62-0,64;  = 0,97;  = 0,60-0,62.

Если отверстие затоплено и истечение происходит под уровень, то в формуле (45) применяют разность уровней Z перед отверстием и за отверстием.

Истечение из насадков. Насадком называется короткая труба, присоединенная к отверстию. Насадки изменяют пропускную способность отверстий. В практике применяют насадки следующих типов (рис. 8): а - цилиндрические, б - конические (сходящиеся), в - расходящиеся, г - коноидальные. По условиям работы насадки могут быть затопленными и незатопленными.

Рис. 8. Типы насадков

Для расчета расхода воды при истечении через насадок используют формулу Торичелли. Скорость вытекания определяют по формуле (43), расход по формуле (45). Для цилиндрических насадков коэффициент расхода  = 0,82, для конических (сходящихся) он зависит от угла конусности . При углах конусности 5,13, 45°  составляет соответственно 0,92; 0,945; 0,857.

Коноидалъные насадки имеют большой коэффициент расхода (до 0,97-0,98) вследствие плавного закругления входа. Благодаря способности конических насадков давать сплошную струю с большой скоростью они получили широкое распространение в дождевальных устройствах, фонтанах и др.

Истечение воды через короткие трубы. Короткими называются трубы, длина которых несколько превышает длину насадков. К ним относятся трубы, укладываемые под дорогами, насыпями, часто используемые в качестве дюкеров и др.

Течение воды через водосливы. Водосливом называют установленную на пути движения водного потока преграду, через которую переливается вода. Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы.

Рис. 9. Водосливы:

а - общий вид; б – прямоугольный; в – трапецеидальный; г - треугольный

Водосливы широко применяют в качестве подпорных плотинных устройств гидрометрических сооружений для определения расхода воды, шлюзов-регуляторов, водосбросных сооружений при плотинах и пр. Основные элементы водосливов приведены на рис.9.

Участок водосливного сооружения, где происходит перелив воды, называется порогом водослива. Превышение уровня воды перед водосливом (в верхнем бьефе УВБ) над порогом водослива образует напор Н (рис. 9, а). Напор измеряется на расстоянии трех-пяти величин Н от порога. Величина С характеризует толщину порога водослива.

В зависимости от формы водосливного отверстия водосливы подразделяются на прямоугольные (рис. 9, б), трапецеидальные (рис. 9, в) и треугольные (рис. 9, г). Разделяют водосливы и по толщине порога (толщине стенки). Если толщина порога составляет не более 0,5Н, то их относят к водосливам с тонкой стенкой, если более 2Н, то - с широким порогом.

На пропускную способность водослива влияет уровень воды ниже водослива (в нижнем бьефе). У незатопленных водосливов уровень нижнего бьефа ниже порога водослива и не влияет на расход воды через водослив. У затопленных уровень нижнего бьефа, располагающегося выше порога водослива, снижает расход.

Расход воды через водослив определяют по формуле:

                   (49)

где Q - расход воды, м³/с; b - ширина порога, м; Н - величина напора, м;  - модуль расхода воды, для незатопленных водосливов, равный 1,95.

Расход воды через прямоугольный водослив с широким порогом определяют по формуле:

(50)

            (51)

где m - коэффициент расхода (  0,38-0,39).

Расход воды через водосливы с тонкой стенкой прямоугольного (Q _п), трапецеидального (Q _тп) и треугольного (Q _тр) сечений (с углом выреза 90°) определяют по формулам

          (52)

(53)

              (54)

 

Лекция 3

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК

Важным водным объектом, изучаемым в курсе гидротехнических мелиораций, являются реки. От состояния реки может зависеть степень увлажнения территории. Высокие уровни воды в реках могут быть причиной заболачивания (намывной, некоторые виды грунтового типа водного питания). Реки часто служат водоприемниками для воды, отводимой с осушаемых территорий. Вода рек широко используется для водоснабжения и орошения. По расходам воды в реках вычисляют расчетные модули стока для определения размеров каналов осушительных систем и сооружений на них.

Речная система. Углубление на земной поверхности, по которому движется вода в направлении уклона, называется водотоком. Водоток значительных размеров, имеющий свой водосбор (как правило) и четко выраженное русло, называется рекой. Каждая река имеет исток, на крупных реках выделяют верхнее, среднее, нижнее течения и устье.

Исток - начало реки. Истоком могут служить ключи, озера, болота (в далеком прошлом бывшие часто озерами), ледники (в горных районах). Устье - место впадения реки в другую более крупную реку, озеро, море и пр. Устье крупных рек часто заканчивается дельтой. В засушливых районах Средней Азии, Кавказа река может не иметь постоянных русла и устья и заканчиваться в песках (Терек и Терско-Кумские пески).

Густота речной сети К _г определяется как отношение длины рек l на площади к этой площади F

К _г = l / F                (55)

Извилистая часть реки называется меандром. Извилистость характеризуется коэффициентом извилистости – К _изв, определяемым как отношение общей длины реки с учетом длины всех извилин l к длине прямой, соединяющей начало и конец извилистого участка, l:

К _изв = l_l / l               (56)

Извилистость реки, увеличивая длину пути текущей по реке воды, снижает расход воды. При осушении, когда в реку увеличивается приток воды с осушаемой территории, извилистость может вызвать подъем воды в реке и подтопление прилегающих земель.

Наиболее извилистыми являются молодые реки равнин, большей частью в северных районах нашей страны. Реки южных районов, где закончился процесс формирования русел рек, о чем сказано при изучении курса геологии, менее извилисты (Дон, Волга).

Место, по которому течет вода в водотоке, называется руслом. Низкая часть пологого берега, заливаемая водой во время половодья или в паводок, называется поймой или пойменной террасой. С течением времени русло углубляется, берег перестает затопляться, и пойма превращается в надпойменную террасу. Эрозионная работа рек продолжается постоянно, поэтому в долинах крупных старых рек может быть до 10 и более надпойменных террас.

Согласно закону Бэра, реки подмывают один из берегов, спрямляют меандры, формируя широкие, относительно ровные террасы. Например, на Волге тысячелетиями подмывается правый берег, левобережье оформилось в виде низкой равнины, простирающейся от современного русла реки в восточном направлении местами на сотни километров. Грунты надпойменных террас сложены речными аллювиальными отложениями, в большей части песками. Пойменная терраса часто заболачивается, образуются относительно маломощные торфяники. При осушении их необходим особый подход, о чем будет сказано ниже.

Движение воды в реках в немалой степени определяется уклоном. Уклон i дна реки обычно выражается в виде десятичной дроби, высчитываемой как отношение отметок дна в начале и конце рассматриваемого участка (превышение или напор), отнесенной к длине участка (например, 0,0039). Иногда уклон выражают в процентах (0,39%) или в промиле (3,9‰, например, i = 0,0039 = 0,39% = 3,9‰).

Территория, с которой стекает вода в реку (или другой водоток), называется водосборной площадью, или бассейном. Ее можно определить по горизонталям местности.

Под гидрологическим режимом понимают совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния водного объекта (в данном случае реки), присущих ему и отличающих его от других водных объектов. Основными характеристиками режима служат уровень, скорость и расход воды.

Поступление воды в реки обусловлено круговоротом воды в природе. Объем воды, поступающей в реки, следовательно, и объем годового стока в разные годы не одинаковы. Однако ежегодно отмечаются характерные периоды режима рек, зависящие от условий водного питания. Такое характерное состояние водного режима реки, повторяющееся в определенные сезоны, называется фазой водного режима реки. Основные фазы: половодье, паводок, межень зимняя и летняя.

Половодье - фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях, в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды и вызываемая снеготаянием или совместным таянием снега и ледников.

Паводок - фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года; характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей.

Межень - фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низких уровней воды и возникающая вследствие сокращения водного питания реки. Водное питание обычно уменьшается летом и зимой, поэтому различают летнюю и зимнюю межень.

По времени наступления половодья и паводка выделяют реки (таблица 7): с весенним половодьем (р. Ока), с весенним и летним половодьем (р. Бия) и с летними паводками (р. Чита). Доля весеннего стока в реках увеличивается от зоны тундры до пустыни. В пустынях весь сток может приходиться на весну. В горных районах формирование стока определяется особенностями водного питания рек. Здесь наибольший сток наблюдается при таянии снега в горах. Часто в этих условиях наблюдается два типа половодий: при таянии снегов предгорий и таянии горных снегов и ледников.

Таблица 7 - Распределение стока рек по сезонам

Реки	Сток, % от годового
	весна	лето	осень	зима
Ока	68,0	14,8	8,1	9,1
Бия	48,0	37,4	10,5	4,1
Чита	31,5	63,0	5,5	0,0

 

По характеру распределения внутригодового стока реки делят на три основных типа: 1) реки с преобладающим весенним половодьем (большая часть климатических зон); 2) реки с весенним половодьем и летними паводками (в предгорьях Кавказа, Карпат, в Средней Азии); 3) реки с преобладающими летними паводками (в высокогорьях и на Дальнем Востоке), часто вызываемыми муссонными дождями.

Равнинные реки в России по длине и площади водосбора подразделяются на малые, средние и большие. В литературе последних лет [18] дается более дробное подразделение рек: 1) самые малые длиной до 25 км; 2) малые - 26-100 км; 3) средние - 101-500 км; 4) большие - 501-1000 км. На долю самых малых рек, имеющих протяженность русла менее 10 км, приходится около 25 % водотоков.

 

Гидрологические посты

Гидрологические посты устраивают для проведения систематических наблюдений на реках при изучении гидрологического режима. Для целей гидромелиорации немаловажное значение имеют наблюдения за уровнями и расходами воды, проводимые на водомерных постах, являющихся составной частью гидрологических постов. Простейшие водомерные посты бывают двух видов - свайные и реечные.

Свайный водомерный пост устраивают на прямолинейном участке реки, где нет подпора воды, возникающего вследствие какого- либо препятствия, замедляющего ее течение. При устройстве поста перпендикулярно течению воды намечают створ, по которому устанавливают репер (на незатопляемой части берега) и сваи (рис. 10).

Рис. 10. Свайный водомерный пост:

1-4 - номера свай

Сваи устанавливают на берегу и по дну реки на одной линии. Нумерация свай идет от репера. Их число зависит от крутизны берега и амплитуды колебания уровня воды. Превышение верха свай друг над другом должно составлять 0,6-0,8 м. Первая свая устанавливается выше максимального уровня воды на 0,3-0,5 м, последняя - на 0,5 м ниже минимального уровня.

До устройства постов положение наибольших и наименьших уровней часто выясняется опросом у местного населения.

Используют металлические сваи, серийно выпускаемые заводами, или деревянные, изготавливаемые из древесины хвойных пород (лучше из лиственницы) или твердолиственных (лучше из дуба). Диаметр сваи -15-20 см. На верх сваи перед забивкой надевают металлическое кольцо. После забивки сваю ровно опиливают и в центре ее забивают гвоздь с широкой шляпкой, на которой при замере уровней воды устанавливают рейку. Верх свай и репер связывают нивелировкой.

Реечный водомерный пост устраивают на участках рек с устойчивыми обрывистыми берегами (при необходимости с креплением их), на набережных, опорах мостов, как правило, при относительно небольшой (до 5 м) амплитуде годового колебания уровня воды. Измерение уровней ведется по водомерной рейке, являющейся основной частью поста. Водомерные рейки бывают деревянными (из твердых пород) или металлическими. Внешне рейка несколько напоминает нивелировочную. Длина ее 2 м (при необходимости устанавливают две рейки), ширина 13 см, толщина 2,5 см. Рейка разделена на части с ценой деления 2 см, с нумерацией с правой и левой части лицевой стороны. На водомерных постах ведут ежедневные измерения уровней воды (в 8 и 20 ч).

Водомерные посты с самописцами (лимниграфами) применяют на специальных объектах наблюдения. Часто используют самопишущий водомерный пост берегового типа (рис. 11).

Устройство при измерении уровней воды самописцами включает лимниграфическую будку 1, колодец 4, соединенный трубой 6 с водотоком, и самописец 2, устанавливаемый на столике 3. Колодец устраивают закрытым. Вода в колодце за счет соединительной трубы поддерживается на уровне водотока (реки, ручья и др.). Трубу укладывают ниже минимального горизонта воды в водотоке. Дно колодца располагают несколько глубже нижней плоскости соединительной трубы. Для предохранения от замерзания колодец закрывают плотной двойной крышкой, располагая нижнюю крышку на 0,3-0,5 м от поверхности почвы.

Рис. 11. Схема установки самописца берегового типа:

1 - будка; 2 – самописец; 3 - столик; 4 - колодец; 5 - поплавок; 6 - соединительная труба

Для регистрации уровней воды можно использовать самописцы, сконструированные Государственным гидрологическим институтом. В настоящее время применяют самописцы типа «Валдай», работающие в режиме записи уровней 12 и 24 ч, и ГР-38 длительного действия. Часовое устройство позволяет вести запись в течение 8, 16 или 32 сут.

Самописец «Валдай» (рис. 12) работает следующим образом.

Поплавок, перемещаясь при изменении уровня воды в колодце, передает через блок 6 вращение на барабан 7, на котором крепится специальная разграфленная лента. Гиря 8 перемещает с помощью направляющего каната каретку с пером 9. При вращении перемещаемое перо ведет запись изменения уровня воды. Сняв ленту с самописца и обработав ее, устанавливают средний уровень воды за каждый день наблюдений.

Рис. 12. Общий вил самописца «Валдай»:

1 - поплавок с грузом; 2,3 - трос системы поплавок-противовес; 4 - противовес; 5 - крючья; 6 - поплавковый блок; 7 - барабан; 8 - гиря с тросом; 9 - каретка с пером; 10 - головка завода механизма часов; 11 - часовой механизм.

 

Режим уровней воды в реках

Положение уровня воды в реках имеет важное значение. При высоких уровнях воды происходит затопление пойм рек и подтопление прилегающих к рекам земель за счет подъема грунтовых вод. Уровень стояния воды в реках влияет на глубину проводящих каналов при впадении их в реки, используемые в качестве водоприемников. От глубины воды зависят возможности передвижения по ним различных судов и грузов.

Уровни воды в реках (рис. 13) сильно меняются как в течение года, так и в годы с разным количеством осадков. На равнинных реках наиболее высокие уровни наблюдаются весной в период половодий, реки предгорий характеризуются двумя максимумами уровней: в периоды весенних половодий и летних паводков (см. выше).

Рис. 13. График колебания уровня воды в р. Тосно:

1 - 1965 г.; 2 - 1969 г.; 3 - 1973 г.

Как отмечено выше, наблюдения за уровнями воды ведутся на водомерных постах. По результатам наблюдений составляют таблицы ежедневных уровней, по которым можно построить хронологический график изменения уровня воды в реке. Для удобства использования на практике материалов наблюдений за уровнями воды их обрабатывают, строя графики частоты и обеспеченности (рис. 14) как для любых отдельных периодов года, так и для года в целом.

Для построения графиков уровень воды в реке от нижнего до верхнего пределов разбивают на 10-15 интервалов. Измеренные в течение анализируемого периода уровни группируют по этим интервалам.

По отложенному на миллиметровке числу дней стояния горизонтов в пределах интервалов строят график частоты. Горизонт, на котором вода в водотоке находится наиболее часто, называется горизонтом бытовых вод (ГБВ). Суммируя количество дней стояния уровней в пределах каждого интервала от верхних уровней к нижним, выявляют общее количество дней стояния воды выше того или иного уровня. Отмечая эти величины на графике по нижним границам интервалов, получают график обеспеченности стояния горизонтов. Обеспеченность показывает, с какой вероятностью данный уровень может быть превышен более высоким уровнем.

Рис. 14. Графики частоты (1) и обеспеченности (2) уровня воды

 

Режим расходов воды в реках

Расходом называется объем воды , проходящий в единицу времени через данное живое сечение потока  (рис. 17):

                            (57)

Для определения расхода воды надо знать скорость течения и живое сечение потока. Скорость течения воды можно вычислить по формуле Шези (28):

        58

Существует множество экспериментальных методов измерения скоростей, из них наибольшее распространение получил способ поплавков и гидрометрических вертушек.

Определение скорости движения воды поплавками. Для этого на прямом участке реки выбирают место, где нет подпора воды. При наличии подпора протяженность его l вычисляют по формуле

              (59)

где и  - глубина воды в реке в начале и конце подпора; i – уклон дна реки.

На выбранном участке реки закладывают три поперечника (створа) - верхний В, средний С и нижний Н (рис. 15). Расстояние между створами устанавливают, в зависимости от наибольшей скорости, с таким расчетом, чтобы время прохождения поплавка между верхним и нижним створом было не менее 20 с. Для пуска поплавков выше верхнего створа на расстоянии 0,2L намечают пусковой створ П.

Рис. 15 Схема разбивки створов

Положение створов закрепляют вешками, устанавливаемыми на берегах реки и урезах воды. На маленьких речках между вешками, установленными возле урезов воды, натягивают канат (шпагат). Момент прохождения поплавков через створы фиксируют с помощью геодезических инструментов (теодолита, мензулы), а на малых водотоках - визуально по канату, натянутому поперек реки. Для измерения скорости движения воды применяют или поверхностные, или глубинные, или двойные поплавки. Наибольшее распространение получили поверхностные поплавки: отрезки ствола дерева определенных размеров (рис. 16).

В центре поплавка для лучшей видимости можно установить флажок. Поплавки запускают несколько выше пускового створа на средине потока. Время прохождения поплавком пути от верхнего до нижнего створов определяют по секундомеру.

Рис. 16. Поплавок

Число поплавков в зависимости от ширины реки колеблется от 8 до 15, но пускают их раздельно. Зная время прохождения расстояния между крайними створами, определяют поверхностную скорость, м/с:

V_пов = L / t                           (60)

Средняя поверхностная скорость V_с.п. определяется как среднеарифметическая по сумме скоростей:

       (61)

где n - число поплавков.

Упрощенно поверхностную скорость можно определить по двум поплавкам, прошедшим расстояние между крайними створами наиболее быстро.

Переход от средней поверхностной к средней скорости потока по живому сечению реки можно определить по формуле

V_ср = К V_с.п.                (62)

Значение коэффициента К зависит от уровня воды, шероховатости русла, уклона дна:

               (63)

где С - скоростной коэффициент формулы Шези.

Для вычисления расходов по формуле (57) определяют площади живых сечений и смоченные периметры на каждом створе. Для этого через определенные расстояния (0,1-1,0 м и более) производят промер глубин. Чем уже река и больше колебания в глубинах, тем чаще необходимо промерять глубины, тем меньше устанавливают расстояние между промерами.

Площадь живого сечения каждого створа определяют как площадь элементарных геометрических фигур - трапеций, треугольников (рис. 17). Смоченный периметр вычисляют как сумму гипотенуз треугольников (с₁ + с₂ +... + с_n). Средние значения живого сечения и смоченного периметра определяют по формулам:

              (64)

                (65)

где  и  - живое сечение и смоченный периметр верхнего (в), среднего (с) и нижнего (н) створов.

Рис. 17. Схема промера живого сечения реки

Определение скорости движения воды в водотоке гидрометрическими вертушками. Гидрометрическая вертушка позволяет определить скорость течения более точно, чем поплавки. В настоящее время пользуются вертушкой Н.Е. Жестовского (рис. 18).

Рис. 18. Общий вид гидрометрической вертушки:

1 - лопастной винт: 2 - корпус; 3 - клеммы звонка; 4 - штанга; 3 - втулка; 6 - хвостовое оперение

Скорость движения воды определяют по частоте вращения лопастного винта, которую учитывают с помощью электрического тока, подводимого от батарей через клеммы. Вертушка погружается в воду на требуемые глубины, перемещаясь по штанге. Скорость вращения лопастного винта фиксируется с помощью звонка. Одно замыкание электрической сигнальной цепи соответствует 20 оборотам винта. Скорость вычисляет после тарировки вертушки по специальным графикам или таблицам, в которых приводится скорость в зависимости от частоты вращения лопастного винта.

Расход воды в небольших водотоках, осушительных и оросительных каналах можно определить при помощи гидрометрических водосливов (Лекция 2.5).

Расход воды в реке или ином водотоке находится в зависимости от уровня воды, увеличиваясь по мере повышения уровня. Имея измеренные расходы воды в реке при разных уровнях воды, можно построить кривую расходов (рис. 19). Кривую строят в прямоугольной системе координат, откладывая по оси ординат уровни воды над нулем графика (Я, см), по оси абсцисс - расход воды (Q, м³/с).

Рис. 19. Кривая расходов

Кривая расходов позволяет быстро определять расходы воды в реках непосредственно по измеряемому уровню воды.