Особенности гидравлического расчета безнапорных труб

При строительстве канализационных сетей сечение труб может иметь круглую, шатровую, лотковую, овопдальную и другою фор­му. Движение жидкости в канализационной сети носит безнапор­ный характер, так как происходит с частичным наполнением сече­ния труб. Поэтому гидравлический расчет канализационной сети производят по тем же формулам, что и расчет каналов. Однако этот расчет затрудняется сложностью определения гидравлических эле­ментов ω, χ и R. Для упрощения расчета канализационной сети обычно используют вспомогательные коэффициенты А и В.

Коэффициент А представляет собой отношение расхода при ча­стичном наполнении трубы к расходу при полном ее наполнении:

(1.153)

Коэффициент В представляет собой отношение средней скорости при частичном наполнении трубы к скорости при полном ее напол­нении:

Установлено, что коэффициенты А и В для труб разных форм зависят только от относительного их наполнения водой.

Таким образом, скорость и расход при частичном наполнении каналов канализационной сети можно определять по формулам:

. (1.155)

(1.156)

где W и К — скоростная и расходная характеристики для всего сечения канала (при полном наполнении).

На рис. 1.53 представле­на зависимость коэффициен­тов А и В от относительно­го наполнения канала круг­лого сечения (трубы). Из графика видно, что наиболь­шие значения коэффициентов А и В, а следовательно, на­ибольшая скорость υ_тах и наибольший расход Q_max в трубе круглого сечения со­ответствуют неполным напол­нениям. Объясняется это тем, что при наполнении верхней части канала круг­лого сечения смоченный пе­риметр χ растет быстрее, чем площадь ω, и поэтому гидравлический радиус R начи­нает уменьшаться; при этом уменьшается и скорость υ. Эта осо­бенность свойственна всем формам сечения каналов, имеющих перекрытие.

 

Рис. 1.53. Зависимость коэффициентов А и В от относительного наполнения трубы (график «рыбка»)

Теоретическим путем доказано, что в трубе круглого сечения наибольшая скорость соответствует выполнению h/d = 0,81, а наи­больший расход — наполнению h/d = 0,95.

Исследованиями, выполненными в последние годы, установлено, что движение жидкости в канализационных сетях может происхо­дить не только при режиме, соответствующем квадратичной обла­сти сопротивления, но и при режиме, соответствующем переходной области, в которой коэффициент С зависит от гидравлического ра­диуса, шероховатости и числа Рейнольдса. Вследствие этого для гидравлического расчета канализационной сети применяют обоб­щенные формулы типа формулы (1.140).

При расчетах канализационных сетей следует пользоваться ука­заниями, приведенными в разделе III.

Глава 10. ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД

ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В ГРУНТАХ

Движение воды в пористой среде называется фильтрацией. Различают естественные и искусственные фильтрационные потоки. Естественный фильтрационный поток, или поток грунтовых вод, образуется в результате инфильтрации в грунт части атмосферных осадков. Искусственный фильтрационный поток создается при ре­шении некоторых технических задач, например при откачке воды из строительных котлованов, при осушении земляного полотна, при очистке воды на водопроводных фильтрах, при фильтрации воды через земляные плотимы и т. д.

Грунтовые воды подразделяются на неподвижные и подвижные. Неподвижные грунтовые воды образуются в результате скопления воды в подземных котловинах. Подвижные грунтовые воды, или по­токи грунтовых вод, образуются в результате постоянной инфиль­трации атмосферных осадков при наличии падения рельефа под­стилающих и водоносных пластов.

Различают напорные и безнапорные грунтовые потоки. Грунто­вой поток будет напорным, если водопроницаемый слой заключен между двумя водонепроницаемыми слоями, и безнапорным, если водопроницаемый слой только подстилается водонепроницаемыми породами.

ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ

Закон фильтрации был установлен Дарси в 1856 г. на основании результатов проведенных им экспериментов с песчаным грунтом при изменении пьезометрических уклонов от 1,5 до 18. Позднее этот за­кон получил и теоретическое подтверждение. Закон Дарси может быть выражен формулой

(1-157)

где υ — скорость фильтрации; к _ф — коэффициент фильтрации, характери­зующий фильтрационную способность грунта; обычно значение к _фопределяют опытным путем; J — гидравлический градиент грунтового потока (пьезо­метрический уклон).

Из рассмотрения зависимости (1.157) можно заключить, что ко­эффициент фильтрации представляет собой скорость фильтрации при единичном уклоне.

Расход фильтрационного потока может быть выражен такой за­висимостью

Q = , (I.158)

где ω — площадь живого сечения, нормального к направлению движения.

В 1857 г. французский ученый Дюпюи, основываясь на законе Дарси и дав этому закону некоторое теоретическое обоснование, рассмотрел случай движения фильтрационного потока со свобод­ной поверхностью при горизонтальном подстилающем слое и по­лучил известное уравнение кривой депрессии (рис. 1.54):

(1.159)

где q — расход грунтового потока, приходящийся на единицу его ширины; h₁, и h₂ — глубины грунтового потока в сечениях I—I и II—II; l — горизон­тальное расстояние между сечениями I—I и II—II.

 

Рис. 1.54. Схема к выво­ду уравнения

кривой депрессии

Рис. 1.55. Схема прито­ка грунтовых вод к колодцу

 

Зависимости (1.157) —(1.159) позволяют решать многие практи­ческие задачи, связанные с фильтрацией в водопроницаемых грун­тах. В последующем изложении будет показано несколько случаев использования указанных формул.