Побудова кривої вільної поверхні верхнього б’єфа

Методичні вказівки

До виконання розрахунково-графічної роботи з дисципліни

"Інженерна гідравліка"

 

Затверджено на засіданні кафедри

водопостачання каналізації і гідравліки,

Протокол № 4 від 21.10.2013 р.

 

Харків 2014

Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи з дисципліни "Інженерна гідравліка" для студентів спеціальностей: 6.060103 "Раціональне використання і охорона водних ресурсів", 6.060101 "Водопостачання та водовідведення", та дисципліни "Гідравліка" для студентів спеціальності 6.060101 "Гідротехнічне будівництво", усіх форм навчання / Укладачі: Кузьменко В.М.. Рязанцев О.І., Шилін В.В. – Харків: ХНУБА, 2014 – 26 с.

 

 

Рецензент: О.А.Сироватський

 

 

Кафедра водопостачання, каналізації і гідравліки.

 

Раціональне використання і охорона водних ресурсів

 

Вступ

Метою даного видання є допомога студентам під час вивчення дисципліни "Інженерна гідравліка" та при самостійному виконанні розрахунково-графічної роботи "Розрахунок верхнього і нижнього б’єфів при улаштуванні греблі". Робота складається з декількох задач пов’язаних між собою.

У методичних вказівках у скороченій формі наведені основні поняття, закони та розрахункові залежності, що описують безнапірний рух води в каналах та спорудах, які потрібні для виконанні студентами розрахунково-графічної роботи. В ході самостійного виконання розрахунково-графічної роботи студентам прищеплюється вміння застосовувати теоретичні знання до розв’язання практичних інженерних задач, формуються навички самостійної роботи.

Методичні вказівки призначені для студентів будівельних спеціальностей які навчаються за спеціальностями "Водопостачання та водовідведення", "Гідротехнічне будівництво" та "Раціональне використання і охорона водних ресурсів".

Основні поняття

1 Канал (штучне русло) – довга виїмка в ґрунті з незначним поздовжнім уклоном (облицьована або ні).

2 Верхній (нижній) б’єф – простір вище (нижче) греблі (або іншої споруди) за течією, що включає: береги, русло, існуючі інженерні споруди. Або частина каналу, що примикає до водопідпірної споруди.

3 Рівномірний рух у відкритих каналах – рух, при якому всі характеристики водотоку (глибина, швидкість) залишаються незмінними вздовж течії. Для природних умов це значною мірою умовне поняття. Рівномірний безнапірний рух може існувати тільки у циліндричному/призматичному руслі з прямим уклоном дна.

4 Нерівномірний рух – рух, при якому будь-яка характеристика водотоку (уклон дна, шорсткість, форма та розміри поперечного перерізу, глибина води, кінематична структура потоку) змінюється вздовж потоку. Звичайно в природних умовах реалізується нерівномірний рух.

5 Циліндричним/призматичним називають русло, форма і розміри поперечного перерізу якого по довжині потоку не змінюються.

6 Усталений рух – рух у каналі вважається усталеним, якщо глибина у певному перерізі не змінюється з часом.

7 Нормальна глибина – глибина водотоку, яка встановлюється в ньому при рівномірному русі.

8 Побутова глибина – глибина, яка встановлюється в нижньому б’єфі (може співпадати з нормальною глибиною).

9 Критична глибина – допоміжна величина – глибина, що відповідає найменшій величині питомої енергії перерізу для фіксованої витрати.

10 Питома енергія перерізу для безнапірного водотоку включає середню глибину водотоку з доданком питомої кінетичної енергії для даного перерізу.

11 Критичний уклон – це уклон дна каналу, при якому нормальна та критична глибини співпадають.

12 Швидкотік – канал з уклоном дна більшим за критичний.

13 Гідравлічний стрибо к – явище, різкого переходу потоку від глибини меншої за критичну у потік з глибиною більшою за критичну, тобто перехід від бурхливого стану потоку до спокійного.

14 Водобійний колодязь, стінка – споруди для гасіння енергії у нижньому б’єфі, які відігнаний гідравлічний стрибок перетворюють у затоплений.

15 Гребля – напірна споруда, яка розташована поперек водотоку.

16 Дамба – напірна або безнапірна споруда, яка розташована вздовж водотоку.

17 Водозлив – безнапірний отвір або виріз у гребні стінки, крізь який перетікає вода. Також водозлив – це споруда через яку перетікає вода.

18 Перепад – споруда в якій вода рухається по сходах.

Загальні положення

Коли з тих, чи інших причин на річці потрібно збудувати водосховище, рівномірний або близький до рівномірного рух річки перетворюється в нерівномірний. Уклони вільної поверхні вже не співпадають с уклонам дна, крім того, що взагалі збільшуються глибини на значній відстані від греблі. Інформація про відмітки вільної поверхні річки необхідна для того, щоб визначити, де згідно з рельєфом місцевості встановити дамби для уникнення значного затоплення прилеглих територій. Таким чином, побудова вільної поверхні перед греблею – це проблема верхнього б’єфа.

Для нижнього б’єфа проблемою є сполучення потоку, який витікає через греблю, з потоком нижнього б’єфа. У нижньому б’єфі глибина потоку в стисненому перерізі, що утворюється безпосередньо за греблею, завжди є меншою за критичну глибину і повністю визначається умовами верхнього б’єфа. Побутова глибина нижнього б’єфа визначається зовсім іншими умовами і для рівнинних річок завжди більша за критичну глибину. Ситуація, при якій глибина, менша за критичну повинна стати більшою за критичну, супроводжується утворенням гідравлічного стрибка. При цьому друга сполучена глибина стрибка однозначно визначається глибиною води в стисненому перерізі, тобто умовами верхнього б’єфа. В той самий час побутова глибина визначається умовами нижнього б’єфа. Розглядаємо ситуацію, коли уклон русла нижче по течії за греблею менший за критичний – побутова глибина більша за критичну. В цьому випадку реалізується один з трьох можливих варіантів співвідношення цих глибин:

а) друга сполучена глибина стрибка більша за побутову глибину, і сполучення б’єфів може відбуватися тільки у формі кривій спаду. За умов нерівномірного руху така ситуація неможлива (можлива тільки крива підпору). З точки зору енергії потоку, це означає, що в стрибку, який реалізується відразу після стисненого перерізу, існує надлишок енергії, який втрачається тільки в місці руху потоку від стисненої глибини до будь-якої нової глибини, яка буде виконувати роль першої сполученої глибини. Водночас зауважимо, що згідно з рівнянням гідравлічного стрибка, збільшення першої сполученої глибини приводить до зменшення другої сполученої глибини. При цьому процес відбувається автоматично доти, доки друга сполучена глибина не зрівняється з побутовою.

Таке сполучення називається відігнаним стрибком і з економічної точки зору є дуже невигідним, через те, що на ділянці від стисненого перерізу до гідравлічного стрибка – першої сполученої глибини (ділянка ця може бути досить великою) виникають великі швидкості з турбулентністю великої інтенсивності. І як наслідок – великі пульсації тиску. У межах зазначеної ділянки потрібне посилене кріплення дна та укосів русла (каналу).

Для уникнення цього в нижньому б’єфі встановлюють пристрої для гасіння енергії потоку: водобійний колодязь і (або) водобійну стінку, штучну шорсткість;

б) друга сполучена глибина стрибка дорівнює побутовій глибині. Така ситуація називається насунутим стрибком і характерна тим, що у будь-який час стрибок може перетворитися у відігнаний;

в) друга сполучена глибина стрибка менша за побутову глибину. В такому разі стрибок називається затопленим, і це найкраща ситуація тому що пульсації тиску та швидкості найменші, кріплення нижнього б’єфа найбільш економічне.

Таким чином, проблеми нижнього б’єфа – це визначення типу стрибка і в разі відігнаного стрибка розрахунок параметрів споруд для гасіння енергії: водобійного колодязя та стінки (стінок).

Побудова кривої вільної поверхні верхнього б’єфа

Розрахунок відміток вільної поверхні при нерівномірному русі потоку виконують у проектних і науково-дослідних інститутах. На цей час існує велика кількість пакетів програм, які використовують ту чи іншу математичну модель. Неможливо віддати перевагу якійсь одній програмі, тому вибір її залежить від індивідуальних уподобань користувача. В такій ситуації найбільш прийнятним є ознайомлення з простою і в той же час фізичною моделлю. В якості такої використаємо метод Чарномського В.І., який заснований на безпосередньому інтегруванні рівняння Бернуллі. Для пояснень використаємо схему, зображену на рисунку 1.