3572

21

Работа водосливов зависит от их формы и горизонта нижнего бьефа,

поэтому основное внимание при расчётах нужно уделять роли конструкций и гидравлического явления в работе водослива. Конструктивно водосливы делятся на водосливы с тонкой стенкой, широким порогом и практического профиля. Понятия эти относительные.

Если поток, переливаясь через верхнюю грань водослива, больше нигде не касается его горизонтального порога, то такой водослив называется водосливом с тонкой стенкой. Если на горизонтальном пороге есть сечения с плавно изменяющимися движениями, то такой водослив называется с широким порогом. Все промежуточные случаи относятся к водосливам практического профиля.

В гидравлическом отношении водосливы могут быть свободными и подтопленными. Работа свободного водослива определяется только сопротивлением входного участка. Работа подтопленного водослива зависит сопротивления от входа и нижнего бьефа.

Подтопление водослива происходит при одновременном выполнении двух условий:

-горизонт нижнего бьефа должен быть выше отметки порога водослива;

-в сжатом сечении за водосливом или на пороге водослива образуется затопленный прыжок.

Пример 1.

Рассчитать ширину отверстия однопролетной водосливной плотины для пропуска Q = 1000 м3 / с, если: высота плотины над дном верхнего бьефа Рв = 16,0 м, над дном нижнего бьефа Рн = 18,0 м. Глубина воды в верхнем бьефе hв = 18 м, в нижнем бьефе hн = 6.0 м, m = 0,48. Сжатие струи и скорость подхода не учитывать.

Решение: hн Рн – значит водослив не затопленный.

Напор на водосливе Н = hв - Рв = 18 – 16 = 2 м

22

в = Q / m 2g Н3/2 = 1000/0,48 2 * 9,81 * 23/2= 166 м

(Ответ: в = 166 м)

Пример 2.

Определить ежесекундный расход волы через водослив шириной в =

1,8 м, высотой Р = 0,8 м с напором над гребнем водослива Н = 0,4 м и

(Ответ: Q = 0,85 м3 / с)

Пример 3.

Через водослив с широким порогом высотой Р = 0,8 м, шириной в = 1,4 м требуется пропустить Q = 0,8 м3/с воды. Каким должен быть напор над гребнем водослива и как изменится этот напор при пропуске двойного расхода воды Q2 = 1,6 м3/с ?

Решение:

Для решения поставленной задачи задаемся различными значениями напора Н, определяем коэффициент расхода по формуле m = (0,405 + 0,003 / Н ) 1 + 0,55 * Н2 / (Н + Р)2 и определяем расход Q = m в 2g Н3/2.

Результаты заносим в таблицу, в которой показана функциональная

23

зависимость расхода воды на водосливе в зависимости от напора. На основании этих показателей строится график зависимости расходов от напора. С графика снимаются необходимые величины напора.

неустановившегося движения жидкости.

2. Как зависит скорость потока от площади живого сечения при постоянном вдоль потока расхода жидкости? Как меняется скорость с изменением расхода жидкости?

3.Уравнение Даниила Бернулли и его гидравлическая,

геометрическая и энергетическая интерпретация.

4.Могут ли напорная и пьезометрическая линии в уравнении Д.Бернулли быть горизонтальными, иметь уклон в сторону движения жидкости, против движения жидкости?

5.Дать определение плавно изменяющегося движения. Каковы его признаки и свойства?

6.В каком смысле следует понимать определение «потеря энергии»,

учитывая, что уравнение Д.Бернулли – закон сохранения энергии при движении жидкости? Что такое местные потери энергии и потери энергии по длине потока? Одинакова ли физическая сущность этих явлений?

7.Может ли увеличение площади живого сечения вдоль потока жидкости не вызывать роста удельной потенциальной энергии?

8.Чем сопровождается любое изменение площади живого сечения

потока?

9.Что такое напорное и безнапорное движение жидкости и где оно происходит?

10.Чем характеризуются равномерное и неравномерное движения

жидкости?

24

11.Объяснить ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Каковы их особенности?

12.Объяснить понятия «гладкие» и «шероховатые» поверхности и дать их характеристики.

13.Что называется малым отверстием в тонкой стенке? Какие силы вызывают сжатие потока придвижении через отверстие?

14.Какова роль местных потерь энергии по длине в насадках,

коротких трубах, трубопроводах?

15.Что называется нормальной работой насадка?

16.Понятие о водосливах, виды водосливов, энергетический смысл,

практическое применение.

17. Гидрологические расчёты в простейших гидротехнических сооружениях.

2. Гидрология и гидрометрия

Гидрология – наука, изучающая гидросферу, характеристики и свойства, протекающие в ней, процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферной. Гидрология изучает природные воды, их распространение по земной поверхности и в толще почвогрунтов и выявляет закономерности, по которым эти процессы и явления развиваются. В разделе гидрологии необходимо разобрать приходную и расходную части уравнения водного баланса отдельных участков земли.

Необходимо усвоить, что такое водосборная площадь и бассейн водотоков,

что такое модуль стока и коэффициент стока.

Гидрометрия дает материал для определения основных расчетных характеристик потока. Полученные с помощью гидрометрии – науки изучающей измерения водных объектов – уровни, глубины, расходы и другие характеристики являются основными при проектировании всевозможных водных объектов.

Из курса гидрометрии важно уяснить устройство водомерных постов, их назначение, способы построения графиков колебания,

25

повторяемости и продолжительности стояния горизонтов воды. Способы определения расходов воды и скорости течения потока с помощью двух основных методов измерения – поплавков и гидрометрической вертушки Жестковского. Кроме того изучить способы определения твердого стока,

химического состава воды и т. д.

2.1Определение объёма, коэффициента и модуля стока

Количественно сток характеризуется объёмом, модулем стока,

коэффициентом и слоем стока. Объём стока W выражается в м3 за определенное время (сутки, месяц, период года). Расчёт объёма стока определяется по формуле W = Q t,

где: Q – средний расход воды, м3 /с; t – время расчётного периода, с.

Слой стока hст в мм производят по формуле: hст = W / 10000 F,

где: F – величина водосборной площади в га, сток с которой равен W.

Коэффициент стока – отношение стока к осадкам за один и тот же период. Модулем стока g называется объем стока с единицы водосборной площади в единицу времени. Определяется по формуле g = Q / F и

выражается в м3 / с или л/с с 1 га.

Пример 1.

Определить весенний сток с площади водосбора F = 720 га, при мощности снежного покрова перед весенним снеготаянием Нсн = 0,65 м,

плотность снега = 0.25, коэффициент весеннего стока = 0,7. Плотность снега – это отношение веса снега к его объёму.

Объём снега равен 1000 F Нсн, м3, а объём воды в снеге равен 1000 F

Нсн , из этого количества часть воды, равная коэффициенту стока ,

26

стекает. Таким образом, объём весеннего стока W переводят в вес по формуле:

Wвес = 1000 F Нсн = 1000 * 720 * 0,65 * 0,25 * 0,7 = 819000 м3.

(Ответ: Wвес = 819000 м3)

слой стока hст = 80 мм, мощность снежного покрова Нсн = 50 см, плотность снега = 0,25.

Слой воды в снеге равен: 50 * 0,25 = 12,5 см = 125 мм.

= 80 / 125 = 0,64

(Ответ: = 0,64)

Пример 3.

Определить коэффициент стока, если средний годовой модуль стока равен g = 0,1 л/с с 1 га, годовое количество осадков Нос= 600 мм. Объём стока W с 1 га в год: Wвес = (0,1 * 60 * 60 * 24 * 365) 1000 = 3153,6 м3/га Слой стока: hст = 3153,6 / 10000 – 0,31536 м = 315 мм

Коэффициент стока: = 315 / 600 = 0,525 = 0,53

(Ответ: = 0,53)

Пример 4.

Определить модуль стока g = л/с с 1 га, если расход воды Q = 0,65 м3

/ с, а площадь водосбора F = 1200 га.

g = Q / F = 0,65 / 1200 = 0,00054м3/га = 0,54 л * с /га

(Ответ: g = 0,54 л * с /га)

27

2.2. Построение графиков частоты и обеспеченности

При проектировании гидротехнических сооружений, проведении лесокультурных работ на затапливаемых землях и т.д. необходимо знать повторяемость стояния горизонтов воды за определенный период ( за год,

вегетационный период, сплавной период и пр.). Для этих целей и строят графики повторяемости (частоты) в продолжительности (обеспеченности).

Амплитуду колебаний уровней воды за данный период разбивают на интервалы величиной 10 – 50 см. Из таблицы ежедневных уровней

(гидрологический ежегодник) определяют число дней стояния горизонтов в каждом интервале и составляют таблицу.

Эти данные и служат для построения графика частоты. Он показывает количество дней, в течении которых уровни воды находились в пределах того или иного интервала. Наиболее часто повторяющийся в течение вегетационного периода горизонт воды называется бытовым горизонтом (ГБВ).

28

Продолжительность стояния горизонтов воды (обеспеченность)

последовательным суммированием числа дней для различных интервалов

графика частоты (от верхнего интервала).

Пример.

Построить графики частоты и обеспеченности горизонтов воды в реке за май – сентябрь по данным таблице 2. На водотоке выбирают прямолинейный незаросший участок без подпора воды. На выбранном участке разбивают три створа. Расстояние между крайними створами должно равняться приблизительно трёх = четырёх кратной ширине реки.

Поплавки в количестве от 10 и более бросают в реку на 1 – 2 метра выше верхнего створа и секундомером засекают время прохождения поплавков через намеченные створы. После этого проводят детальные промеры живых сечений на каждом створе.

Пример.

Определить расход воды в реке по следующим данным: расстояние между крайними створами l = 16 м, время прохождения брошенных в воду

10 поплавков – 37, 32, 24, 36, 31, 27, 26, 34, 33, 27 с. Среднее время tcр равно среднему из двух наименьших значений:

tcр = (26 + 27) / 2 = 26,5 с

Максимальная поверхностная скорость:

V = l / tcр = 16 /26,5 = 0,6 м/с

Промеры живых сечений по створам следующие:

Верхнего створа

1. Расстояние от уреза воды, м

0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 3,6 2. Глубина воды, м

0,0, 0,24, 0,31, 0,49, 0,47, 0 42, 0,34, 0,28, 0,0

Среднего створа

1. Расстояние от уреза воды, м

29

0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 3,6 2. Глубина воды, м

0,0, 0,22, 0,34, 0,41, 0,52, 0,48, 0,33, 0,27, 0,0

Нижнего створа

V = 0,66 * 0,60 = 0,396 м/с;

Q = Vω = 0,396 * 1,33 = 0,53 м3/с

30

2.3. Определение скоростей и расходов воды гидрометрической

вертушкой Жестковского

Гидрометрическая вертушка позволяет определять скорость течения более точно, чем поплавками. Наиболее распространена вертушка Жестковского. Скорость движения воды определяется по специальным графикам в зависимости от числа оборотов лопастного винта. Скорость

вращения винта фиксируется звонком через 20 оборотов.

Для того, чтобы определить скорость движения воды по всей

ширине реки и её профиля выбирается гидрометрический створ, где назначается несколько промерных вертикалей. На каждой промерной вертикали, в зависимости от её глубины, выбирается несколько точек для

определения скорости. Скорость может быть определена в одной, двух,

трёх, пяти точках. Средняя скорость на вертикали вычисляется по

формулам: V = V0,6 h – одноточечное измерение

V = 0,5 (V0,2 h + V0,8 h ) – двухточечное измерение

V = 0,25 (V0,2 h + 2V0,6 h + V0,8 h) – трёхточечное измерение V = 0,1(Vв + 3V0,2 h + 3V0,6 h + 2V0,8 h + Vд) –

пятиточечное Промеряются глубины гидрометрического створа. Для вычисления

расходов воды результаты заносятся в таблицу 3.

Расход составляет 35,99 м3 / с.