Водохозяйственное строительство (стр. 6 )

Для определения допускаемых на размыв скоростей рекомендуется использовать формулы (4.2, 4.3) [7,8], эти формулы учитывают все основные физические и физико-механические свойства грунта и позволяют раздельно оценивать устойчивость к размыву дна и откосов русла в различных характерных стадиях движения наносов.

Формулы имеют следующий вид:

для дна

;

(4.2)

для откоса

.

(4.3)

В этих формулах приняты следующие обозначения:

R – гидравлический радиус, м;

d – расчетный диаметр грунта, м, который принимают в однородных грунтах (коэффициент неоднородности ) d =d50 – средний диаметр, а в неоднородных грунтах () d=d85 – диаметр крупной фракции, образующей естественную отмостку.

ρ1 – плотность грунта с учетом взвешивания его водой, кг/м3,

;

(4.4)

ρs, ρв – плотность соответственно частиц грунта и воды, кг/м3;

ns, – пористость грунта;

g – ускорение силы тяжести, м/с2;

f – коэффициент внутреннего трения грунта в воде;

cр – удельное структурное сцепление грунта при разрыве в воде, Па, определяется по методике [7]. Значение cр можно приближенно получить по формуле

,

(4.5)

где средний диаметр d подставляют в м, при d>1мм можно принимать cp=0;

m – коэффициент заложения откоса;

ny – коэффициент условий работы, при содержании в потоке взвешенных наносов S < 0,1 кг/м3 принимают ny = 1, а при S > 0,1 кг/м3, ny = 1+2S.

Ps – показатель прочности (размывоустойчивости) грунта, Па,

(4.6)

h – глубина воды в русле, м;

hот – глубина от уреза воды до точки откоса, в которой определяется допускаемая скорость, м; для наиболее неустойчивой нижней зоны откоса принимают hот=h.

Значения коэффициента а и показателя степени х принимают в зависимости от стадии движения наносов:

a=2,06; x=0,167 для стадии начала влечения отдельных зерен грунта;

a=3,16; x=0,14 для стадии начала образования гряд;

a=5,96; x=0,10 для начала взвешивания грунта.

Расчетные стадии движения наносов выбирают в зависимости от вида и назначения водотока. Устойчивость каналов с расходом воды Q < 5 м3/с рассчитывают на стадию начала влечения отдельных зерен грунта, при Q = 5-20 м3/с назначают допускаемые скорости, соответствующие стадии начала грядообразования, а для крупных каналов с максимальным расходом Q > 20 м3/с принимают за расчетную стадию - начало взвешивания грунта. В расчетах устойчивости крупнозернистого материала пригрузки (наброски) для крепления дна и откосов принимают за расчетную стадию начала влечения отдельных зерен грунта.

Если окажется, что скорость потока υ > υдоп для дна то предусматривают крепление всего русла, а если υ > υ'доп для откосов, то крепят только откосы.

Если в русле созданы допускаемые для дна средние скорости, то достаточно закрепить от размыва русловым потоком нижнюю наиболее неустойчивую часть откоса от дна до точки, отстоящей на глубину от расчетного уровня воды, а в верхней части, предусмотреть ее защиту (при необходимости) от действия фильтрационного потока и поверхностной эрозии. Высоту определяют из условия равенства допускаемых придонных скоростей для откоса и дна по формуле:

.

(4.7)

Для несвязных грунтов, у которых можно принять cp=0:

(4.8)

Высота крепления нижней зоны откоса hкр = h — h'от, при откосы крепят на всю высоту.

Допускаемые скорости для нижней зоны откосов при m = 2-3 приближенно на 10-20% меньше допускаемых для дна.

Крупность зерен пригрузки (наброски) можно рассчитывать, используя приведенные выше формулы (4.2) и (4.3), решая их относительно диаметра, принимая при этом скорость υ = υ доп., т. е. соответствующей стадии начала влечения отдельных зерен грунта (α = 2,06; х = 0,167).

Так, для крепления дна, принимая ср = 0; ny = 1, получаем из (4.2) следующую формулу для определения среднего диаметра материала пригрузки Dдн (с учетом коэффициента запаса Кз):

(4.9)

где fn – коэффициент внутреннего трения крупнозернистого материала в воде, принимается равным 0,80 - 0,90 для гравия, 0,9 – 1,0 для мелкого щебня, 0,7 – 0,8 для гравийно-песчаных смесей; fn = 1 для каменной наброски и крупных сортированных фракций щебня; Кз – коэффициент запаса, учитывающий неравномерность распределения наброски по откосу, принимают равным Кз= (hкр — высота крепления, м).

Решая аналогично зависимость (4.2) относительно диаметра Dот, получаем для наиболее неустойчивой нижней зоны откоса (hот = h) формулу для определения крупности частиц наброски

.

(4.10)

Проверка незаиляемости канала осуществляется по транспортирующей способности потока или по незаиляющей средней скорости воды в канале. Незаиляющая средняя скорость υнез соответствует состоянию, когда мутность потока S равна его транспортирующей способности, т. е. тому количеству взвешенных наносов, содержащихся в единице объема воды, которое поток способен транспортировать без их осаждения.

Величину незаиляющей скорости υнез, м/с, при которой не будет происходить осаждение наносов, рекомендуется определять по формуле

,

(4.11)

где S — средневзвешенная мутность потока, кг/м3;

η — коэффициент неоднородности взвешенных наносов η = d90/d50 (d90 — диаметр частиц крупной фракции, которых содержится в составе наносов менее 90% по массе, м: d50 — средний диаметр частиц наносов, м);

R — гидравлический радиус живого сечения, м;

u — гидравлическая крупность частиц средневзвешенного диаметра, м/c, принимается по таблице 5.3.

ρs, ρв — плотность соответственно частиц наносов и воды, кг/м3;

g — ускорение свободного падения, м/с2;

α — коэффициент, зависящий от характера осаждения наносов, принимается α=4,0 при d=0,1-2,5мм; α=4,5 при d>2,5 мм и α=3,5 при d<0,1мм.

Если окажется, что υ < υнез, то будет происходить осаждение наносов и заиление русла. Практически можно допустить превышение на 10% незаиляющей скорости над средней скоростью потока, и, незначительное осаждение крупной фракции (> d90). Если υ < 1,1 υнез, то предусматривают увеличение уклона дна и соответственно средней скорости.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КАНАЛА

Из приложения выписывают заданные гидравлические параметры и характеристики грунта по трассе канала в соответствии с вариантом выданного задания. Используя исходные данные, выполняют расчет канала для двух случаем: гидравлически наивыгоднейшего профиля и при заданной глубине h.

5.1 Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего профиля

Определяют соотношение βг. н .= (b/h)г. н. по формуле (2.1) или по таблице 5.4, принимая коэффициент заложения откоса m по таблице 5.1.

Находят коэффициент шероховатости русла n по таблице 5.2 (в зависимости от вида грунта и величины расхода), а затем определяют по выражению (1.5) показатель степени y в формуле (1.4) для определения скоростного коэффициента C.

Рассчитывают глубину канала гидравлически наивыгоднейшего профиля по формуле (2.2). Определяют ширину русла по дну b = βг. н.h.

Рассчитывают площадь живого сечения ω по (1.8), смоченный периметр русла χ по (1.12) и гидравлический радиус R по (1.13).

Определяют среднюю скорость течения воды в русле

, (5.1)

Для проверки правильности расчетов определяют скорость υ по формуле (1.2), значения скорости по обеим формулам (5.1) и (1.2) должны совпадать.