Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 16 )

,                                (5.13)

где zв и zн – отметки горизонтов воды в верхнем и нижнем створах рассматриваемого участка реки;

l – длина участка реки по геометрической оси потока.

Так как уклоны свободной поверхности воды в естественных руслах изменяются с изменением уровня, желательно в процессе изысканий провести несколько нивелировок горизонта воды при разных уровнях. Для выполнения надежных гидравлических расчетов нужно, по меньшей мере, знать значения двух уклонов свободной поверхности воды, соответствующих меженному и паводковому уровням.

Значения средних скоростей и расходов в естественных руслах можно получить, используя те же формулы (5.6), (5.7), (5.8), что и для каналов. Точность расчета во многом зависит от степени обоснованности коэффициента шероховатости n. На его величину влияет ряд факторов: характер грунтов, слагающих русло, наличие расширений и сужений, поворотов, размывов, промоин, водорослей и т. д.

Значения коэффициента n для естественных водотоков представлены в табл. 5.3.

Рассмотрим некоторые особенности гидравлического расчета пойменных участков рек (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Живое сечение пойменного участка реки

Т а б л и ц а  5.3. Значения коэффициента шероховатости n

для естественных водотоков (по )

Категория	Характеристика русла равнинных рек	n
I	Прямолинейные участки канализованных рек в плотных грунтах с тонким слоем илистых отложений	0,020
II	Извилистые участки канализованных рек в плотных грунтах с тонким слоем илистых отложений	0,022
III	Естественные земляные русла в весьма благоприятных условиях, чистые и прямые, со спокойным течением	0,025
IV	Галечные и гравийные русла в таких же условиях	0,030
V	Русла постоянных водотоков, преимущественно больших и средних рек, в благоприятных условиях состояния ложа и течения воды	0,035
VI	Сравнительно чистые русла постоянных водотоков в обычных условиях, извилистые с некоторыми неправильностями в направлении струй или же прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Незаросшие ровные поймы	0,040
VII	Русла больших и средних рек, значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые, с неспокойным течением. Поймы больших и средних, сравнительно разработанные, покрытые нормальным количеством растительности (травы, кустарники)	0,050
VIII	Русла периодических водотоков, сильно засоренные и извилистые. Сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек (промоины, кусты, деревья, заводи). Порожистые участки равнинных рек	0,065
IX	Русла и поймы, весьма значительно заросшие (со слабым течением), с большими глубокими промоинами	0,080
X	Поймы такие же, как и предыдущей категории, но с сильно неправильными косоструйными течениями, заводями и т. д.	0,100
XI	Реки болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.). Поймы лесистые с очень большими мертвыми пространствами, местными углублениями, озерами и т. д.	0,140
XII	Глухие поймы, сплошь лесные, таежного типа	0,200

Полный расход воды в реке при высоких горизонтах можно представить как сумму расходов, проходящих по руслу и пойме:

.  (5.14)

Гидравлические радиусы для русла и поймы принимаются равными их средним глубинам:

Rг. р = щр /Вр ;                Rг. п = щп /Вп.

Скоростные множители Ср и Сп можно вычислить по формуле (5.8) или найти по графику (см. рис. 5.4), предварительно определив коэффициенты шероховатости русла и поймы по данным гидрометрических измерений или на основании рекомендуемых норм (см. табл. 5.3).

ПРИМЕРЫ

Пример 5.1. Выполнить гидравлический расчет трапецеидального канала глубиной h = 1,5 м в среднесуглинистом грунте при коэффициенте заложения откоса m = 1,0.

Решение. Определяем отношение

Ширина канала по дну b = (m′ –2m)h = 0,84∙1,5 = 1,26 м.

Ширина канала по верху В = b + 2hm = 1,26 + 2∙1,5∙1,0 = 4,26 м.

Площадь живого сечения щ = (b + B)h/2 = (1,26 + 4,26) ∙ 1,5/2 = 4,14 м2.

Смоченный периметр сечения .

Гидравлический радиус сечения Rг = щ /ч = 4,14/5,52 = 0,75 м.

Коэффициент шероховатости для среднего плотного суглинка n = 0,02 (см. табл. 5.2).

Коэффициент Шези определим по формуле (5.8):

С = 1/n + 17,72 lgRг = 1/0,02 + 17,72 lg0,75 = 47,8 м0,5/с2.

Приняв среднюю скорость воды v = 1,0 м/с (см. табл. 5.1), вычислим расход:

Q = щv = 4,14∙1,0 = 4,14 м3/с.

Вычисляем необходимый гидравлический уклон (из уравнения Шези):

I = Q2/(щ2C2Rг) = 4,142 /(4,142 ∙47,82 ∙0,75) = 0,0006.

(Падение уровня на 1 км длины канала равно 60 см).

Пример 5.2. Определить коэффициент шероховатости русла реки по следующим данным гидрометрических измерений: Q =225 м3/с, щ = 150 м2, B = 75 м, I =0,0004.

Решение. Средняя скорость воды v = Q / щ = 225/150 = 1,5 м/с.

Гидравлический радиус Rг = hср = щ/B =150/75 = 2 м.

Скоростной множитель (коэффициент Шези)

м0,5/с2.

Коэффициент шероховатости русла выразим из формулы (5.8):

n = 1/(С – 17,72 lgRг) = 1/ (53 – 17,72 lg2,0) = 0,021.

6. ВОДОСЛИВЫ

6.1. Классификация и краткая характеристика водосливов

В о д о с л и в о м  называется преграждающее поток устройство или сооружение, через которое происходит перелив жидкости.

Водосливы применяются в гидротехнических сооружениях в качестве водосливных плотин, шлюзов-регуляторов и в гидрометрии для измерения расхода.

Основные термины и обозначения, применяемые при изучении водосливов (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Схема истечения через водослив

с тонкой стенкой

СГВБ – отметка горизонта верхнего бьефа;

СГНБ – отметка горизонта нижнего бьефа;

Н – напор на гребне водослива (геометрический);

v0 – скорость подхода – средняя скорость потока на расстоянии (3–4)Н перед гребнем;

– полный напор на гребне водослива;

р1 – высота порога водослива со стороны верхнего бьефа;

р  – высота порога водослива со стороны нижнего бьефа;

hб – глубина нижнего бьефа;

b  – ширина водослива (размер перпендикулярен к чертежу);

д  – толщина порога водослива;

z – разность отметок горизонтов воды в верхнем и нижнем бье-фах.

Водосливы классифицируются по следующим основным признакам:

1) по ширине порога водосливы подразделяются на три типа: с тонкой стенкой (см. рис. 6.1), с широким порогом (рис. 6.5), практического профиля (рис. 6.3);

2) по форме выреза водосливы бывают прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, круглые, полигональные. Наибольшее применение в практике находят водосливы первых трех типов;

3) по условиям бокового сужения потока они делятся на водосливы с боковым сужением (ширина водослива меньше ширины русла) и водосливы без бокового сужения (ширина водослива равна ширине русла).

Гидравлический режим работы водослива может быть двояким. Если отметка уровня воды нижнего бьефа непосредственно за порогом ниже отметки гребня водослива, т. е. z > H или hб < р, режим называется  н е з а т о п л е н н ы м  (рис. 6.2, а), если отметка уровня воды в нижнем бьефе выше отметки гребня водослива, т. е. z < H, или hб > р, – з а т о п л е н н ы м  (рис. 6.2, б). Величина hп называется глубиной затопления водослива, с ее увеличением расход жидкости через водослив уменьшается.

Рис. 6.2. Схема гидравлических режимов работы водослива:

а – незатопленный, б – затопленный

6.2. Расход жидкости через водосливы

Для вывода основного уравнения истечения через водослив воспользуемся аналогией с истечением через отверстие в тонкой стенке, для которого была получена формула расхода (4.9):

.

При истечении через прямоугольный водослив щ = bН (см. рис. 6.1). С учетом этого формула (4.9) приводится к виду

,                        (6.1)

где мв – коэффициент расхода водослива.

Формула (6.1) является основной и справедлива для всех видов водосливов. Однако каждый из них имеет особенности, которые влияют на расход жидкости. Эти особенности учитываются путем ввода поправочных коэффициентов.

В о д о с л и в ы  с  т о н к о й  с т е н к о й  (см. рис. 6.1) чаще всего используются в гидрометрии для измерения расхода жидкости в открытых (безнапорных) потоках. Они широко применяются в системах орошаемого земледелия для измерения расхода воды, подаваемой на орошаемый участок. Водосливы с тонкой стенкой выполняются с треугольным (для замера малых расходов) или прямоугольным (для замера больших расходов) вырезом.