Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 15 )

Допустимая скорость, при которой не происходит заиления канала, принимается равной не менее 0,6 м/с.

К сожалению, при устройстве каналов не всегда удается соблюсти неравенство vmin < v <vmax. Так, при прокладке канала по местности с большим уклоном скорости течения часто оказываются больше максимально допускаемых. В этом случае приходится применять искусственное крепление стенок и дна канала в виде каменной отмостки, бетонной облицовки и др. Если же канал проходит по равнинной местности и ему не удается придать нужного уклона, скорости течения в нем могут оказаться меньше минимально допускаемых. Для нормальной эксплуатации необходимо предусматривать периодическую очистку канала от отложившихся наносов.

5.3. Гидравлический расчет каналов

Используя формулу Дарси–Вейсбаха (3.27) выведем основную формулу для гидравлического расчета каналов. Из зависимости (3.27) выразим среднюю скорость потока:

.

Зная, что отношение hт / l = I, а также d = 4Rг, можно последней формуле придать следующий вид:

.

Введем обозначение , тогда

.                                (5.6)

Последняя формула была впервые получена французским инженером Шези и носит его имя. Параметр С в этой формуле называется  с к о р о с т н ы м  м н о ж и т е л е м, или  к о э ф ф и ц и е н т о м  Шези (м0,5/с2).

Подставив в формулу для расхода Q = щv среднюю скорость по формуле Шези, получим

.                        (5.7)

Это есть основная формула для гидравлического расчета каналов и она тоже называется  ф о р м у л о й  Ш е з и.

Существует ряд формул для определения коэффициента Шези. Наиболее простой и достаточно точной является формула :

С = 1/n + 17,72lgRг,                        (5.8)

где n – коэффициент шероховатости поверхности канала.

Численные значения коэффициента n для различных поверхностей представлены в табл. 5.2.

Т а б л и ц а  5.2.  Значения коэффициента n шероховатости каналов

Вид поверхностей	n
Исключительно гладкие поверхности; поверхности, покрытые эмалью или глазурью	0,009
Лучшая штукатурка из чистого цемента	0,010
Лучшая цементная штукатурка (1/3 песка)	0,011
Весьма хорошая бетонировка	0,012
Хорошая кирпичная кладка	0,013
Бетонировка каналов в средних условиях	0,014
Средняя кирпичная кладка, облицовка из тесаного камня	0,015
Хорошая бутовая кладка, старая (расстроенная) кирпичная кладка, сравнительно грубая бетонировка	0,017
Каналы в плотном грунте, покрытые устойчивой илистой пленкой	0,018
Каналы в лессе, в плотном гравии, плотной земле, затянутые илистой пленкой, каналы в плотной глине	0,020
Большие земляные каналы в средних условиях содержания и ремонта и малые – в хороших	0,025
Земляные каналы: большие в условиях содержания и ремонта ниже средней нормы, малые – в средних условиях	0,028
Земляные в сравнительно плохих условиях (местами заросшие, с булыжником и местными обвалами)	0,030
Земляные в исключительно плохих условиях (значительные промоины и обвалы, заросшие, с крупными камнями)	0,40

Графические зависимости С = f(n, R) (рис. 5.4) значительно облегчают определение коэффициента Шези.

Рис. 5.4. Зависимость С от гидравлического радиуса при различных значениях n

Гидравлически наивыгодным называется такое сечение канала, которое при заданных площади живого сечения, уклоне и шероховатости обладает наибольшей пропускной способностью.

Из анализа формулы (5.7) следует, что при постоянных I и щ расход тем больше, чем больше гидравлический радиус Rг. Как видно из формулы (5.8), коэффициент С также увеличивается с возрастанием Rг. Но Rг = щ / ч, поэтому для постоянного значения щ гидравлический радиус будет наибольшим при минимальном смоченном периметре ч. Таким образом, сечение канала будет гидравлически наивыгодным при минимальном смоченном периметре.

Соотношения геометрических размеров сечений каналов трапецеидальной формы подсчитывают по следующим формулам:

;                                (5.9)

R = h / 2.                         (5.10)

Основные типы задач и методы их решения. 1. Определить расход воды в канале при известных значениях b, m, h, I, n.

Задача решается по формуле (5.7). По формулам (5.1) и (5.2) соответственно подсчитываются щ, ч и определяется Rг. Коэффициент Шези С определяется по формуле (5.8) или по графику (рис. 5.4).

2. Необходимо определить уклон дна канала, если известны Q, n, b, h, m.

Уклон определяется по формуле Шези (5.7). Все необходимые параметры определяют так же, как в предыдущей задаче.

3. Определить нормальную глубину заполнения канала h0 при известных b, m, I, Q, n.

Нормальной называется глубина заполнения канала, которая при заданных Q и I устанавливается в условиях равномерного движения. В общем случае эта задача решается методом подбора с использованием формулы Шези. Задаются значением h0, по которому определяют щ, ч, Rг, С (см. задачу 1), и по формуле Шези подсчитывают Q. Если полученный расход не совпадает с заданным, принимают другое значение h0 и повторяют расчет. Для ускорения решения подобного типа задач можно использовать графоаналитический метод.

Задаваясь несколькими значениями h0 (h0l, h02, h03, …), последовательно определяют щ, ч, Rг, С, Q и строят график h0 = f(Q) (рис. 5.5). Затем, откладывая по горизонтальной оси известный по условию задачи расход Q, определяют соответствующую ему нормальную глубину h0.

Рис. 5.5. К определению глубины

заполнения канала

4. Определить геометрические параметры канала b и h при известных Q, m, n, I.

Ввиду того, что неизвестны две геометрические характеристики канала, в общем случае задача является неопределенной. Поэтому необходимо из дополнительных условий (эксплуатации канала или технологии строительства) задаться одним из параметров, тогда метод решения будет таким же, как и в задаче третьего типа.

Если при выборе параметра h или b не принимаются какие-либо условия, сечение канала следует проектировать гидравлически наи-выгодным.

5.4. Гидравлический расчет естественных русел

Основной целью гидравлического расчета движения воды в реках является определение скоростей и расходов, соответствующих различным отметкам уровня воды. Наиболее достоверные сведения о характере изменения скоростей и расходов в реке можно получить на основании непосредственных гидрометрических измерений при различных отметках уровня воды, охватывающих весь диапазон изменения горизонтов – от наименьших меженных до наибольших паводковых. Методика проведения и обработки гидрометрических измерений излагается во второй части учебного пособия. Окончательные результаты гидрометрических измерений представляются в виде графика зависимости расхода воды от уровня, называемого  к р и в о й  р а с х о д о в. По этой кривой можно легко установить расход воды при любой глубине наполнения русла.

Однако таких исчерпывающих данных, позволяющих построить кривую расходов для всего интересующего диапазона изменения уровней, в распоряжении проектировщика часто не оказывается. В таких случаях скорости течения и расходы воды определяют расчетным путем по формулам для равномерного движения жидкости.

Чтобы определить скорость течения и расход воды, нужно знать исходные гидравлические элементы потока: площадь живого сечения, смоченный периметр, гидравлический радиус, уклон свободной поверхности и коэффициент шероховатости.

Площади живых сечений потока устанавливают по данным промера глубин и нивелировки поперечников в интересующих створах реки, проводимых в процессе изысканий.

Смоченный периметр для рек принимается равным ширине русла по урезу воды ч = В, а гидравлический радиус – средней глубине потока R = hср = щ/В. Правильнее, однако, смоченный периметр и гидравлический радиус определять по следующим зависимостям:

ч = В + 2Hср;                                (5.11)

.                        (5.12)

Наряду с определением гидравлических элементов потока в отдельных створах реки часто возникает необходимость в установлении осредненных гидравлических характеристик потока для участков рек. Средние значения площади живого сечения, смоченного периметра и гидравлического радиуса можно вычислить, разделив сумму величин данного параметра во всех створах на количество створов.

Уклоны свободной поверхности воды в реках устанавливаются по данным нивелировки по зависимости