Условия равномерного движения в открытом русле

Равномерное движение жидкости характеризуется прямыми параллельными линиями токов (траекториями), а также постоянством местной осредненной во времени скорости вдоль каждой линии тока. Следовательно, для существования равномерного движения необходимо выполнение ряда условий.

На свободной поверхности безнапорных потоков устанавливается, как правило, постоянное атмосферное давление. Поэтому пьезометрический уклон I_р для таких потоков соответствует уклону свободной поверхности I_c, т. е. I_р = I_c. Для равномерных потоков пьезометрический уклон равняется гидравлическому, т. е. I_р = I. Значит, равномерное безнапорное движение возможно при соблюдении равенства:

I_р = I= I_c.

Для этого необходимо, чтобы величина скоростного напора по длине потока также оставалась бы постоянной. Этим диктуется соблюдение следующих условий:

· русло – призматическое;

· расход воды постоянен (Q = const);

· глубина h, а следовательно, форма и площадь живого сечения ω и χ,R постоянны;

· линия дна не имеет перелома, т. е. i = sin α= const, при этом i >0;

· шероховатость дна и стенок русла постоянна по длине (п = const);

· местные сопротивления в русле отсутствуют.

Полностью удовлетворить всем условиям возможно только в искусственных руслах.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение канала

Гидравлически наивыгоднейшим сечением канала является сечение, способное при заданной площади обеспечить максимальную пропускную способность.

Наименьшим периметром (из всех возможных) обладает круг, и гидравлически наивыгоднейшим сечением для открытых каналов было бы сечение, имеющее форму полукруга. Далее при данной площади меньшими периметрами обладают правильные многоугольники, причем длина их периметра будет тем меньше, чем больше число сторон.

Следовательно, далее по выгодности идут различные сечения в форме половин правильных многоугольников, например половина шестиугольника, т. е. равнобочная трапеция с углом наклона боковых сторон α= 60°. Из прямоугольных профилей наивыгоднейшим является сечение в виде половины квадрата.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение часто не является экономически наивыгоднейшим. Например, полукруглые или многогранные сечения гидравлически выгоднее прямоугольного, но благодаря большей стоимости применяются значительно реже, ввиду трудности их выполнения и значительной стоимости.

На практике наиболее употребимы каналы трапецеидального сечения.

Однако в наиболее часто встречающихся случаях земляных стенок трапецеидальные сечения редко получают форму наивыгоднейшего профиля в виде половины правильного шестиугольника с углом α= 60°, так как при этом требуется крепление боковых стенок канала. Обычно этот угол выбирается в соответствии с углом естественного откоса грунта, и задача сводится к определению при заданных - площади сечения и угле откоса, соотношения между шириной и глубиной, при котором смоченный периметр будет наименьшим.

Рис. Поперечное сечение трапецеидального канала

Представляя площадь трапецеидального сечения канала ω с коэффициентами откоса т₁ и т₂ как сумму прямоугольника и двух треугольников, получим:

где b – ширина канала по дну; h – глубина воды в канале; т = ctgα – коэффициент откоса канала, зависящий от рода грунта и облицовки (крепления) канала.

Ширина канала поверху:

Длина смоченного периметра:

Коэффициент откоса m принимают по данным расчета устойчивости каналов или по аналогии с существующими каналами, имеющими хорошие эксплуатационные показатели в сходных грунтовых и гидрогеологических условиях.