ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТКРЫТЫХ РУСЕЛ
Глава 7. УСТАНОВИВШЕЕСЯ РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ
Проблемы движения воды в открытых руслах возникали еще во времена первых цивилизаций (Древний Египет, Древний Вавилон, Древний Китай). Ярким примером этого являются акведуки, построенные для целей водоснабжения в Древнем Риме, и оросительные каналы в Египте.
Движение жидкости в открытых руслах отличается от напорных потоков в трубах. Это отличие заключается в следующем:
· напорные потоки в трубах при своем движении занимают все поперечное сечение русла, а в открытых руслах – только часть его поперечного сечения и имеют свободную поверхность, во всех точках которой давление равно атмосферному;
· движение напорных потоков происходит в результате разности полных напоров в начальном и конечном его сечениях. Движение жидкости в открытых руслах происходит за счет уклона дна, т.е. под действием силы тяжести. Последнее обстоятельство позволяет называть потоки в открытых руслах самотечными;
· в напорных трубопроводах эпюра распределения скоростей симметрична оси потока, а в открытых руслах эпюра скоростей несимметричная, максимальная скорость располагается у свободной поверхности.
Открытые русла разделяются на естественные и искусственные. Русла рек, ручьев являются естественными. К искусственным руслам относят: каналы, лотки, нагорные канавы, а также гидротехнические туннели, водопропускные дорожные трубы, коллекторы, дренажные и водоотводные трубы. Движение жидкости в искусственных руслах происходит при неполном заполнении их поперечного сечения.
В практике водоснабжения и водоотведения установившееся движение жидкости встречается в водопроводящих каналах и трубах, в коллекторах и водоотводящих трубах.
Одной из причин для осуществления движения сточных вод в открытых руслах является то, что сточные, и особенно бытовые, воды переносят большое количество органических веществ, при разложении которых выделяются газы. Для вентиляции водоотводящих труб и коллекторов необходимо обеспечить над потоком свободное пространство, над которым происходит движение выделяющихся газов с последующим их отводом.
Для пропуска воды на пересечениях водотоков с полотном автомобильных и железнодорожных дорог устанавливаются водопропускные каналы и трубы.
Как и для потоков в напорных трубах, движение в открытых руслах может быть равномерным и неравномерным, установившимся и неустановившимся. Наиболее простым для анализа и изучения является равномерное установившееся движение воды в открытых руслах.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТКРЫТЫХ РУСЕЛ
Открытые русла различают по форме поперечного сечения: прямоугольные, трапецеидальные, круглые, параболические и пр. К прочим поперечным сечениям русел относятся: несимметричные, неправильные, составные и замкнутые (закрытые) [7].
В зависимости от уклона дна различают русла:
• с положительным уклоном дна ( ) - русла с прямым уклоном, отметки дна которого уменьшаются по направлению движения потока;
• с нулевым уклоном дна ( ) - русла с горизонтальным дном, когда отметки дна остаются постоянными по длине потока;
• с отрицательным уклоном дна ( ) - отметки дна увеличиваются по направлению движения потока.
Искусственные открытые русла являются призматическими руслами. Призматическим называют прямолинейное русло, форма и размеры которого по длине потока не изменяются. В призматическом русле поперечное сечение постоянно. Следует иметь в виду, что в случае неустановившегося движения глубина жидкости в призматическом русле в разных сечениях различна, поэтому поперечное сечение потока (живое сечение) по длине переменно.
Равномерное движение в открытом русле возможно при соблюдении следующих обязательных условий:
• расход жидкости в русле постоянен ( );
• живое сечение и глубина наполнения русла h не изменяются по длине потока;
• уклон дна и шероховатость дна и стенок русла постоянны вдоль потока жидкости.
Одновременное соблюдение всех этих условий возможно только в призматических руслах.
На рис. 7.1 представлена схема равномерного движения потоков жидкости, позволяющая прийти к следующим выводам: параллельно дну канала проходят: линия свободной поверхности Р-Р (пьезометрическая линия), так как глубина ; линия полного напора Е-Е параллельна пьезометрической линии Р-Р, потому что имеет место постоянство скоростного напора по длине потока , так как .
Рис. 7.1. Схема равномерного движения
Таким образом, при равномерном движении потоков в открытых руслах гидравлический уклон , уклон свободной поверхности и уклон дна равны между собой:
. (7.1)
Равномерное движение может существовать только в руслах с уклоном дна .
Для достижения равномерного движения потоков жидкости в открытых руслах необходима достаточно большая длина русла, чтобы на этой длине можно было получить равенство сил сопротивления и составляющей силы тяжести, приводящей поток в движение.
Основные формы поперечных сечений канала - прямоугольная и трапецеидальная.
Прямоугольная и близкая к прямоугольной формы применяются при прокладке канала в скальных и полускальных грунтах. В рыхлых грунтах из-за обрушения стенок прямоугольное сечение неприменимо. В этом случае боковые стенки канала устраиваются в виде подпорных бетонных или железобетонных стенок.
Трапецеидальная форма позволяет в рыхлых грунтах обеспечить устойчивость откосов канала с учетом их водонасыщенности. При необходимости производится крепление откосов и дна канала. Учитывая производство работ по прокладке канала и капитальные затраты, наиболее употребляемой формой сечения открытого русла является трапецеидальная (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Трапецеидальное сечение канала
Боковые стороны трапеции называют откосами русла. Основание трапеции - ширина канала по дну . Глубина потока в русле h - глубина наполнения русла. Угол между дном русла и боковым откосом - угол заложения . На практике чаще используется параметр - заложение откосов. Верхнее основание В трапеции является шириной русла по свободной поверхности.
Величина заложения выбирается исходя из устойчивости откосов и зависит от гранулометрического состава грунта (см. табл. П1.8).
Используя геометрические элементы русла трапецеидального сечения, можно определить параметры живого сечения по геометрическим формулам.
Площадь поперечного живого сечения
. (7.2)
Смоченный периметр
. (7.3)
Зная площадь поперечного сечения и смоченный периметр, можно вычислить гидравлический радиус .
Ширина по свободной поверхности
. (7.4)
Для русла прямоугольного сечения и , площадь сечения потока , а смоченный периметр
. (7.5)
Для русла треугольного поперечного сечения:
; ;
; . (7.6)
Для русел круглого сечения геометрические параметры потока, зависящие от наполнения русла, будут рассмотрены далее.
Движение жидкости в открытом русле турбулентное, относящееся к квадратичной области сопротивления. Основными параметрами, необходимыми для расчета русел, являются средняя скорость и расход Q.
Коэффициент Шези определяется по различным эмпирическим формулам, полученным в результате гидравлических исследований открытых русел с разной степенью шероховатости их поверхности в квадратичной области сопротивления (см. гл. 4, п. 4.4).
Средняя скорость и расход в русле:
; .
Приведенные формулы V, Q являются формулами Шези.
По аналогии с напорными потоками в формулы Шези вводят следующие обозначения:
- модуль скорости, который для потоков жидкости в открытых руслах называют скоростной характеристикой потока, м/с;
- модуль расхода или расходная характеристика, м3/с.
С учетом выражений для расходной и скоростной характеристик формулы Шези принимают вид:
; . (7.7)
При определении коэффициента Шези С необходимо знать значения коэффициента шероховатости поверхности русла .
В табл. 7.1 приведены некоторые значения коэффициента шероховатости при среднем состоянии поверхности различных русел (водотоков).
Таблица 7.1 - Коэффициент шероховатости для различных русел
Тип русла и его состояние
|
| ОТКРЫТЫЕ РУСЛА В ЕСТЕСТВЕННОМ СОСТОЯНИИ
Грунтовые каналы правильной формы, покрытые илистым грунтом
Каналы в песчаных и супесчаных грунтах
Каналы грунтовые без соответствующей дополнительной планировки поверхности
Грунтовые каналы при сравнительно плохих условиях содержания (наличие водорослей, валунов и булыжников на дне)
Грунтовые каналы при существенно плохих условиях содержания
|
0,018
0,02
0,025
0,03
0,035
| ОТКРЫТЫЕ РУСЛА С ИСКУССТВЕННЫМ КРЕПЛЕНИЕМ
Оструганные доски
Неоструганные доски
Поверхность, покрытая цементным раствором
Бетонированная поверхность
Бетонные поверхности неотделанные
Сборные бетонные лотки
Мощение из булыжного камня
Мощение из рваного камня
Каналы с дернованными откосами и мощением дна
|
0,012
0,013
0,013
0,014
0,017
0,013
0,022
0,027
0,033
| РУСЛА ЗАМКНУТОГО СЕЧЕНИЯ (ТРУБЫ)
Чугунные с внутренним покрытием
Чугунные без внутреннего покрытия
Бетонные трубы с необработанной негладкой поверхностью
Бетонные трубы с необработанной гладкой поверхностью
Железобетонные трубы
Асбоцементные трубы
Керамические трубы
|
0,013
0,015
0,017
0,014
0,012
0,011
0,012
|
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|