Определение скорости течения в канале

Исходные данные

Вариант № 1/0

ü - расход, м³/с =5,7

- ширина канала по низу, м = 2,3

- уклон подводящего канала =0,001

- уклон быстротока =0,20

- уклон отводящего канала =0,0020

- длина быстротока, м =35

- высота перепада, м =2,5

- коэффициент заложения откоса канала =1,5

- коэффициент шероховатости стенок канала =0,0200

ü быстроток, перепад и гаситель энергии – прямоугольной формы

материал стенок – бетон (n = 0,014)

ü длина каналов не ограничена [1].

Гидравлический расчет водопроводящих сооружений

Подводящий канал

Устройство подводящего канала необходимо для принятия вод, стекающих по склонам к логу, и подведения к трубе, мосту или быстротоку. Искусственные подходные русла должны обеспечивать пропуск всего расхода без их переполнения.

Расчет подводящего канала сводится к определению нормальной и критической глубины, критического уклона, анализа состояния потока, определению средней скорости и обоснованию укрепления русла. Кроме этого производиться расчет гидравлически наивыгоднейшего профиля канала. Все величины определяются двумя методами, для проверки правильности [1].

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

2.1.1. Определение нормальной глубины

Нормальная глубина - это такая глубина, которая при заданном расходе установилась бы в русле, если в этом русле движение было бы равномерным.

Основная расчетная формула – формула Шези:[1].

, где (2.1)

-площадь живого сечения, м²;

C – коэффициент Шези, м^0,5/с;

R – гидравлический радиус, м;

- уклон канала.

Для трапецеидального сечения (рис.1):

, (2.2)

где h –глубина канала, м.

рис.1 Поперечное сечение подводящего канала.

Категория грунта ( =1,5)– гравелистые и песчано-гравелистые грунты. Характеристика поверхности ( =0,0200) – каналы в плотном гравии, плотной земле, затянутые илистой пленкой.

Таблица 1. Определение расходных характеристик

Расчетные формулы	Ед. изм.	Назначаемые и определяемые величины
	м	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3
	м2	3,29	3,8	4,35	4,92	5,53
	м	5,54	5,91	6,27	6,63	6,99
	м	0,59	0,64	0,69	0,74	0,79
	м0,5/с	44,70	45,49	46,22	46,90	47,56
	м3/с	112,96	138,29	167,01	198,50	233,77

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

Приближенно по Н.Н. Павловскому: при R < 1,0 (2.3)

Гидравлический радиус в общем случае определяется по формуле

, где (2.4)

- смоченный периметр, м, и для трапецеидального русла может быть определен:

(2.5)

Расходная характеристика (модуль расхода):

, м³/с . (2.6)

Графоаналитический метод определения нормальной глубины:

м³/с ( расходная характеристика, соответствующая нормальной глубине )

График

По графику определяем, что

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

В качестве второго метода определения нормальной глубины используем метод проф. Б.А. Бахметева:[2].

1) задаем две произвольно выбранные глубины h₁ = 1,1м, h₂ = 1,2м и вычисляем для этих глубин К₁ и К₂. Из таблицы 1 К₁ = 167,01 м³/с, К₂ = 198,50 м³/с.

2) из соотношения:

. (2.7)

находим гидравлический показатель русла:

. (2.8)

Если предположить, что h₂ =h₀, a K₂ = K₀, то можно написать равенство:

. (2.9)

Зададим значение: h₁ = 1,1 м из Таблицы 1 К₁ = 167,01м³/с.

= = м³/с, Х = 3,970

м

Вывод: по результатам определения нормальной глубины двумя способами для дальнейшего расчета принимаем .

2.1.2. Определение критической глубины

Критической глубиной называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения.[1].

Уравнение критического состояния потока

, где (2.10)

- ускорение свободного падения, м/с²;

- площадь живого сечения при критической глубине, м²;

- ширина канала поверху при критической глубине, м;

=1,1 ( для дорожно-мостового и аэродромного строительства)

лист

КР-2068982-271501-АДМ-ПД-139-10-2013

(2.11)

рис.2 Поперечное сечение подводящего канала.

Определение критической глубины методом подбора.

Таблица 2. Определение величин

, м	, м2	, м	, м5
0,4	1,16	3,5	0,44
0,5	1,53	3,8	0,94
0,6	1,92	1,4	1,73
0,7	2,35	4,4	2,95
0,8	2,80	4,7	4,67

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

График

По графику определяем = 0,75 м

В качестве второго метода определения критической глубины используем метод проф. И.И. Агроскина[5].

1) вычислю критическую глубину h_k для условного прямоугольного русла с шириной b, равной по дну этого канала по формуле:

(2.12)

2) Нахожу значения величины σ_п по формуле:

(2.13)

3) вычисляю исходную критическую глубину трапецеидального канала по формуле

(2.14)

Вывод: по результатам определения критической глубины двумя способами для дальнейшего расчета принимаем .

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

2.1.3. Определение критического уклона

Критическим уклоном называется такой уклон, при котором заданный расход Q₀ проходит по каналу в условиях равномерного движения с глубиной, равной h_k, т.е. при соблюдении равенства:

(2.15)

а) (2.16)

м²

б) (2.17)

- спокойное состояние потока

<

>

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

2.1.4. Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего профиля (поперечного сечения)

Гидравлически наивыгоднейшим профилем (ГНП) называется такой, у которого при заданной площади поперечного сечения ω, уклоне i₀, шероховатости и коэффициенте заложения откоса пропускная способность оказывается наибольшей.[6].

Графоаналитический способ.

(2.18)

Таблица 3. Определение расходов

,м	, м	, м2	, м	, м0,5/с	, м3/с
1,3	0,78	3,55	0,65	45,64	4,13
1,4	0,84	4,12	0,70	46,36	5,05
1,5	0,9	4,73	0,75	47,04	6,09

График

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

По графику определяем м

(2.19)

тогда м

рис.3 ГНП и поперечное сечение подводящего канала

для заданной ширины по низу с вычисленной нормальной глубиной.

Определение скорости течения в канале

м/с – каналы в плотном гравии

м/с - гравелистые и песчаные грунты

(2.20)

(2.21)

Вывод: Дополнительное укрепление требуется.

лист

КР-2068982-270800-АДМ-ПД-010-12-2013

2.2. Быстроток

Быстротоком называют искусственное сооружение (русло) с уклоном больше критического ( > ). 1 – входная часть

2 – лоток быстротока (водоскат)

3 – выходной участок

рис.4 Схема быстротока.

При высоких скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрация) приводит к увеличению глубин, что необходимо учитывать в расчетах.[1].

- уклон входного участка

; - для бетонных быстротоков прямоугольного сечения

коэффициент аэрации (зависит от уклона быстротока)

- коэффициент шероховатости стенок и дна для аэрированных потоков

(2.22)

- уклон быстротока