Равномерное движение в открытых руслах

 

Равномерное движение потока жидкости – такое движение, при котором живые сечения, так же как и скорость потока в соответственных точках этих сечений, одинаковы по всей длине рассматриваемого участка.

Типичным примером равномерного движения является движение в открытом канале или в цилиндрической трубе с одинаковыми по всей длине живыми сечениями.

Для равномерного движения расход определяется по формуле

 

, (188)

 

Скорость при равномерном движении выражается формулой

 

, (189)

 

где	С	- коэффициент, зависящий от шероховатости стенок и дна русла, а также от его формы и размеров;
	R	- гидравлический радиус, м,
		- площадь живого сечения в м ^2;
		- смоченный периметр, м;
		- гидравлический уклон.

 

При гидравлическом расчете каналов вводится понятие расходной характеристики или модуля расход

 

(190)

Коэффициент С рекомендуется принимать по формуле академика Н.Н. Павловского

 

(191)

 

где n - коэффициент шероховатости, зависящий от материала и состояния русла;

у - показатель степени, зависящий от гидравлического радиуса R и коэффициента шероховатости n.

 

Гидравлические параметры каналов. Формы поперечного сечения каналов бывают трапецеидальные, прямоугольные, треугольные, параболические и др.

Для трапецеидального сечения русла (рис 58):

- площадь живого сечения

 

, м ² (192)

 

- коэффициент заложения откоса

 

(193)

 

где φ - угол линии откоса с горизонталью;

 

 

Рис. 58. Трапецеидальное сечение русла канала

 

- ширина живого сечения по верху

 

, м (194)

 

- смоченный периметр

 

, м (195)

 

где ; (196)

 

- гидравлический радиус

 

, м (197)

 

Для прямоугольного сечения русла (рис. 59)

- площадь живого сечения

 

, м ² (198)

 

- смоченный периметр

, м (199)

 

 

Рис. 59 Прямоугольное сечение русла канала

 

- гидравлический радиус

 

, м (200)

 

Для треугольного сечения русла (рис. 64)

 

, м ² (201)

 

- смоченный периметр

 

, м (202)

 

- гидравлический радиус

 

, м (203)

Рис. 60. Треугольное сечение русла канала

 

Для параболического сечения русла (рис. 61)

 

Рис. 61. Параболическое сечение русла канала

- площадь живого сечения

 

, м ² (204)

 

ширина по верху

 

, м (205)

 

где - параметр параболы.

 

Таблица 7

Наименование грунтов, слагающих русло канала	Коэффициенты заложения откосов m
подводных	надводных
Пески пылеватые	3-3,5	2,5
Пески мелкие, средние и крупные:
- рыхлые и средней плотности	2-2,5
- плотные	1,5-2	1,5
Супеси	1,5-2	1,5
Суглинки, лессы и глины:
- легкие и средние суглинки и лессы	1,25-1,5	1-0,5
- тяжелые суглинки и плотные глины	1-1,25	1-0,5
Гравийные и галечниковые:
- рыхлые и средней плотности	1,25-1,5
- плотные	1,25
Полускальные водостойкие	0,5-1	0,5
Скала:
- выветрившаяся	0,25-0,5	0,25
- невыветрившаяся	0,1-0,25

Водосливы.

 

Классификация водосливов

 

Гидравлическое явление перелива потока жидкости через стенку или порог называют водосливом.

Водосливом также называют стенку или порог, стоящие на пути движения потока жидкости.

Теория водослива положена в основу теории расчета плотин, в том числе лесосплавных плотин, водопусков, подмостовых отверстий, малых гидросооружений для пропуска воды в дорожном полотне, в земляных дамбах. Кроме того, водослив может служить точным прибором для измерения скоростей и расходов.

Акватория потока, расположенная выше водослива, называют верхним бьефом, ниже водослива - нижним бьефом.

Водосливы по своему назначению можно подразделить на водосливы, которые предназначаются для поддержания горизонтов воды в водохранилищах и сброса расходов воды (например, водосливы с широким порогом или практического профиля), и на водосливы мерные, служащие для замера расхода жидкости (например, с трапецеидальным или треугольным отверстием).

Водосливы также подразделяются:

- по типу стенки (порога) – на водосливы с тонкой стенкой, практического профиля и с широким порогом;

- по форме отверстия в стенке – на прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, параболические и др.;

- по типу сопряжения переливающейся струи с потоком нижнего бьефа – на незатопленные и затопленные; горизонт воды в нижнем бьефе в первом случае не оказывает влияния на истечение, во втором – влияет на истечение воды через водослив;

- по очертанию в плане – на прямые, косые, криволинейные, ломанные, кольцевые и боковые.

Расход воды через водослив определяется по формулам

 

, (206)

 

или

 

, (207)

 

где		- безразмерный коэффициент расхода;
		- то же, с учетом скорости подхода;
		- ширина водослива, м;
		- напор на гребне водослива, м, ;
		- скорость подхода, .

 

Коэффициент расхода не является величиной постоянной и зависит от типа водослива, напора, скорости подхода, наличия бокового сжатия, подтопления и других условий.

Значения коэффициентов m для неподтопленных водосливов при ориентировочных расчетах рекомендуется принимать следующие:

- с тонкой стенкой 0,42;

- без вакуумного практического профиля 0,45;

- вакуумного 0,5;

- с широким порогом 0,32-0,35.

Коэффициент расхода через незатопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия струи (рис. 62а) определяется по формуле

 

; (208)

Рис. 62 Водослив с тонкой стенкой

 

При условии и

 

(209)

 

где Н - напор, м;

- высота стенки со стороны верхнего бьефа, м.

 

Водослив становится затопленным при выполнении следующих условий:

- уровень нижнего бьефа должен быть расположен выше порога водослива;

- сопряжение падающей с водослива струи с нижним бьефом должно происходить при затопленном прыжке.

Для затопленного водослива с тонкой стенкой расход определяется по формуле

 

, (210)

 

где - коэффициент затопления.

 

Водослив с широким порогом (рис. 63) является наиболее распространенным типом водосбросного сооружения и представляет собой порог с горизонтальной сливной плоскостью длиной и с произвольно очерченными верховой и низовой гранями.

 

Рис. 63. Водослив с широким порогом

 

Расход воды через водослив с широким порогом определяется по формуле

 

, (211)

 

где		- коэффициент, учитывающий сжатие потока;
		- коэффициент затопления;
		- коэффициент расхода водослива в условиях плоской задачи;
		- длина гребня водослива, м;
		- напор с учетом скорости подхода, м.

 

Коэффициент расхода m рекомендуется определять согласно исследованиям проф. А.Р. Березинского.

Водосливы практических профилей бывают безвакуумные и вакуумные, а по своему очертанию – криволинейные, прямоугольные, трапецеидальные и полигональные.

При проектировании ответственных сооружений коэффициент расхода водослива определяется на основании лабораторных гидравлических исследований.