10216
.pdf
140
-поперечный профиль реки;
-план дна русла реки;
-продольный профиль реки.
Поперечный профиль реки.
Построение начинается с нанесения на чертеж точки постоянного начала и горизонтальной линии, отмечающей положение поверхности воды, вниз от которой откладываются глубины. Вертикальный масштаб рекомендуется принимать в несколько раз крупнее горизонтального. Под профилем помещается таблица с измеренными величинами. В другую таблицу заносят основные морфологические характеристики.
Рис. 3.4 - Поперечный профиль русла в гидростворе
Площадь водного сечения определяется планиметрированием или аналитически. Аналитически площадь находят как сумму частных площадей между отдельными промерными вертикалями по формуле:
ω = h1 b |
+ h1 + h2 |
b + .... + hn−1 + hn b |
n−1 |
+ hn b |
|||
2 |
0 |
2 |
1 |
2 |
2 |
n |
|
|
|
|
|
||||
R = ωχ , м
hСР = h = ωB , м
hMAX − устанавливается по промерной книжке
Смоченный периметр χ – длина линии соприкосновения жидкости (воды) с твердыми стенками русла, он может быть измерен курвиметром или линейкой. Аналитическим путем χ определяется (см. рис. 17) по формуле:
Рис. 3.5 - Схема к вычислению площади поперечного сечения длины смоченного периметра
141
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
χ = b2 |
+h2 |
+ |
b2 |
+(h |
2 |
−h )2 |
+... + |
b2 |
+(h |
n−1 |
−h |
n |
)2 |
+ |
b2 |
+h2 |
|
0 |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
n−1 |
|
|
|
|
n |
n |
||||
Топографический план дна русла реки.
Составляется в горизонталях (линии равных высот берега) и изобатах (линии равных глубин русла), см. рис.
Рис. 3.6 - План участка реки:
1 – изобаты; 2 – горизонтали (линии равных высот берега); 3 – ось судового хода; 4 - магистраль
Продольный профиль реки.
Составляется для того, чтобы знать уклоны водной поверхности, судить о характере изменения вдоль русла глубин, уклонов дна и проч.
Dh |
i |
l |
Рис. 3.7 – Продольный профиль |
реки |
i = ∆lh
Замеряют h путем нивелирования урезных кольев, которые забивают в характерных местах реки (перекат, плес, порог, остров, мост) вровень с уровнем воды. Урезные колья связываются с реперами опорной сети, отметки которых известны. В результате получают профиль свободной поверхности воды на участке реки.
142
143
3.2 Измерение скоростей течения
Скоростью течения называется путь, который частица воды проходит в единицу времени. Течение в реке вызывается силой тяжести воды, которая движется по руслу под уклон с высоких мест (от истока) на низкие (к устью реки). Ее скорость возрастает с увеличением продольного уклона реки и снижается на участках с более шероховатым руслом. Ввиду подтормаживающего действия поверхности русла скорости течения вблизи дна и берегов меньше, чем у поверхности или на середине реки. Движение воды в реках почти всегда турбулентное. Неровности дна русла (выступы, камни, гряды) вызывают завихрения (вращение) масс жидкости, которые, отрываясь от дна, перемещаются во всей толще потока и создают пульсации скорости около некоторого осредненного значения с относительно большим периодом времени. Поэтому для более точного определения осредненной во времени скорости при гидрометрических работах ее фиксируют в каждой точке не менее, чем 100 с.
Распределение скоростей в потоке
- по вертикали
|
Эпюраравномерного |
||
|
Uпов=max |
потока |
|
0.6h |
Vср |
h |
|
|
|
|
|
|
Vдно |
|
|
Vветра |
При действии |
|
ветра против |
Vmax |
течения |
|
Постепенное уменьшение скорости от поверхности к дну происходит из-за шероховатости ложа потока. Придонная скорость равна нулю, затем происходит скачек скоростей от нуля до значительной величины VДН (см. рис.) в непосредственной близости от дна – в пограничном слое. Этот слой чрезвычайно мал, доли миллиметра, меньше диаметра песчинок.
|
Приледяном |
|
покрове |
0,4h |
лед |
Vmax |
|
|
h |
Рис. 3.8 - Эпюры скоростей по вертикали
144
- по ширине русла
Обрыв(крутойберег) |
Х |
Х |
Х
Х
Рис. 3.9 - Эпюры скоростей в плане
- по живому сечению
Представление об этом распределении дают изотахи - линии равных скоростей.
Отрытоерусло |
Руслоподольдом |
|
|||
0,5 |
|
|
лед |
|
|
0,2 |
0,3 |
|
0,3 |
0,2 |
|
0,4 |
|
||||
|
0,4 |
0,5 |
0,4 |
|
|
0,3 |
|
|
|||
0,2 |
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
Рис. 3.10 - Эпюры скоростей по живому сечению
При турбулентном режиме в каждой точке потока вектор скорости непрерывно меняет свою величину и направления, происходит пульсация скорости. В связи с этим различают мгновенную скорость и осредненную во времени скорость:
U, м/ с |
|
|
U=f(t) |
|
U |
Vср |
|
0 |
dt |
|
t, с |
|
Рис. 3.11 - |
Пульсация скорости |
|
Приборы для измерения скоростей течения воды Основными приборами для измерения скоростей течения воды в реках
и каналах являются гидрометрические поплавки и вертушки.
145
Поплавком называют тело, свободно перемещаемое потоком. В речной гидрометрии чаще всего применяют поверхностные поплавки, реже глубинные и поплавки-интеграторы. Поверхностные поплавки применяются для измерения скоростей и направлений течения на свободной поверхности водотока. Они чаще изготавливаются в виде деревянных кружков диаметром 10-30 см, толщиной 3-5 см или крест-накрест небольшими досками и снабжаются флажком для улучшения их видимости (рис. 3.12). Более точно отражают движение поверхностного слоя воды поплавки в виде крестовин из поставленных на ребро досок. В качестве поверхностных поплавков могут использоваться частично наполненные водой бутылки, отдельные куски древесины и другие предметы, плывущие по реке.
Рис. 3.12 - Поплавок
Гидрометрическая вертушка является наиболее распространенным и надежным прибором для измерения скорости течения воды в реках. Метод измерения вертушкой основан на зависимости частоты вращения лопастного винта от скорости набегающего на него потока. Наиболее распространенные конструкции гидрометрических вертушек содержат лопастной винт 1 с контактным механизмом, корпус 2 с электрическими клеммами, стабилизатор (хвост) 3, регистратор частоты вращения (лампочка 4, электрический звонок или электромеханический счетчик) и источник питания 5 (рис. 3.13). Вертушка крепится к штанге 6 или тросу и опускается в заданную точку вертикали. Благодаря стабилизатору вертушка устанавливается навстречу потоку и винт начинает вращаться, вызывая через определенное количество оборотов (обычно через 1 или 20 оборотов) кратковременное замыкание контактов и срабатывание регистратора (мигание лампочки). Наблюдатель подсчитывает количество сигналов (миганий), а затем число оборотов винта N за заданный промежуток времени t (обычно 100с), вычисляет частоту вращения винта n = N/t и через нее по градуированному графику вертушки определяет скорость течения U в точке установки вертушки. На графике показана наименьшая скорость U0 набегающего потока, при которой винт начинает вращаться. Градуировка вертушки представляет собой процесс обратный процессу измерения
146
скоростей течения. При этом определяются частоты вращения винта при разных известных скоростях перемещения вертушки в стоячей воде и по ним строится градуировочная зависимость. В этом случае движение воды заменяется на движение самой вертушки.
.
Рис. 3.13 - Гидрометрическая вертушка Н. Е. Жестовского
1 - корпус- 2 – ось, 3 — подшипники; 4 — внутренняя упорная втулка; 5- наружная упорная втулка; 6- осевая гайка; 7 - червячная втулка; 8 - лопастной винт; 9 - зажимная муфта, 10 - червячная шестерня; 11 - контактный штифт; 12 — контактная пружина,13 - контактный винт; 14 - токопроводяший стержень; 15 -массовая клемма, 16изолированная клемма; 17 - штепсельное гнездо; 18 - хвостовое оперение; 19 — винт; 20 — зажимные винты; 21 — указатель
Различают два способа измерения скоростей течения воды вертушками: точечный и интеграционный. Точечный способ заключается в измерении скоростей U в фиксированных точках. Эти точки и вертикали, на которых измеряют скорости называют скоростными. При пятиточечном способе скорости измеряют на вертикали: у поверхности, на глубине 0,2h; 0,6h; 0,8h (считая от поверхности воды) и у дна. Среднюю скорость на промерной вертикали равна
U = 0,1(U ПОВ +3U0.2H +3U0.6H + 2U0.8H +U ДНО ) .
Пятиточечный способ (рис. 3.14) обычно применяют при глубине h>1м, трехточечный – при 0,6-1,0 м, двухточечный – при 0,35-0,6 м, одноточечный
– при глубине менее 0,35 м.
|
|
Uпов |
0,2H |
|
|
0.6H |
U0.2H |
0.8H |
|
H |
U0.6H |
|||
|
|
U0.8H |
|
|
|
|
Uдно |
|
|
147
Рис. 3.14 – Пятиточечный способ измерений скорости течения воды
Интеграционный способ позволяет измерить сразу среднюю скорость по вертикали, горизонтали (по ширине потока) или по всему живому сечению.
3.3 Измерение расходов
Расход определяется как объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (обычно за одну секунду). С геометрической точки зрения расход можно представить объемом воды, который ограничен свободной поверхностью, плоскостью живого сечения и поверхностью, проходящей через концы векторов скоростей течения. Это водяное тело называется гидрометрической моделью расхода.
Рис. 3.15 – Модель и схема для вычисления расходов
Агеева Вера Валерьевна Янченко Михаил Андреевич
ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим занятиям, включая рекомендации
обучающимся по организации самостоятельной работы по дисциплине
«Инженерная гидрология. Гидрологические изыскания» направлению подготовки 08.05.01 – Строительство уникальных зданий и
сооружений направленность (профиль) – Строительство гидротехнических сооружений
повышенной ответственности
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65. http: // www. nngasu.ru, srec@nngasu.ru