Главная | Обратная связь
МегаЛекции

Определение расходов воды в открытых водотоках методом поплавков





Определение расходов воды в открытых водотоках методом

Поплавков, с помощью водосливов

 

Цель занятий — получить практические навыки по гидравлическим расчетам водотоков на основании заданного расхода, усвоить методику проведения гидрометрических наблюдений.

Материальное обеспечение занятия — микрокалькуляторы, персональный компьютер, миллиметровка.

 

Определение расходов воды в открытых водотоках методом поплавков

 

Расход воды в открытых водотоках (Q) обычно находят через живое сечение (W) и среднюю скорость потока (V) по формуле:

 

 
числить уклон потока, определить гидравлический радиус. Для русел, ширина которых превосходит глубину, величину гидравлического радиуса можно заменить средней глубиной потока, и тогда формула Шези имеет вид:   V = C , (4.16)   4.2 Движение воды в напорных трубах   При напорном движении все сечения трубы занято водой. Напор воды создается или высоким расположением источника воды, из которого вода поступает в трубу, или насосами. Напорное движение встречается в водопроводных трубах, дождевальных трубопроводах, фонтанах и пр. При напорном движении воды как по трубам, так и в открытых водотоках происходят потери напора. При подаче воды по трубам и поступлении ее под уровень (рис. 3) общий напор Н (энергия напора) полностью затрачивается на преодоление сопротивлений по длине л и местных сопротивлений hм на входе и выходе. При истечении в атмосферу за счет остаточного напора (конечный напор hc) создается скорость при выходе из трубы:   H = hдл + hм + hc, (4.17)     Рисунок 3 - Схема формирования потерь напора при истечении под уровень   При равномерном движении жидкости потери напора по
   
 

               
   
по формуле:   hдл = lI / 4R × V2 / 2g , (4.9)   Подставляя значение i = hдл /I в формулу (4.9), получим   i = lI / 4R × V2 / 2g, откуда (4.10)   V = × , (4.11) Обозначив выражение , характеризующее потери энер­гии на преодоление сил трения по длине потока через С, получим формулу Шези:   V = C , (4.12)   где V — средняя скорость потока; R — гидравлический радиус; i — уклон поверхности воды или дна потока; С — скоростной коэффициент. Скоростной коэффициент можно вычислить по формуле Н.Н. Павловского или И.И. Агроскина. 1. Формула Н.Н. Павловского:   С = (1/n) ×Ry, (4.13)   где n — коэффициент шероховатости русла, изменяющийся в зависимости от его состояния; R — гидравлический радиус; Y — переменный показатель степени, определяемый по формуле:   y = 2.5Ön - 0.13 - 0.75ÖR× (Ön - 0.10), (4.14)   2. Формула И.И. Агроскина:   С = 1/n + 17.72 lg R, (4.15)   Формула Шези имеет большое практическое значение. С помощью ее можно определить размеры проводящих каналов, вы
 
Q = W × V, (3.1) Живое сечение — плоскость, перпендикулярная направлению течения воды, ограниченная профилем русла и уровнем воды. В естественных водотоках живое сечение имеет обычно неправильную форму, поэтому для его определения водоток разбивают на элементарные фигуры промерами глубины через определенные расстояния (рис. 1, б). Площадь живого сечения равна сумме площадей этих элементарных фигур (треугольников, трапеций и пр.).   а) б) Рисунок 1 - Разбивка створов (а) и промеры живых сечений (б)   Скорость течения воды определяют различными способа
 
 
 



               
   
ми. На небольших водотоках скорость определяют вертушками, поплавками. Ниже приводится пример определения скорости поплавками. На водотоке выбирают прямолинейный незаросший участок без подпора воды. На выбранном участке разбивают три створа (рис. 1,а). Расстояние между крайними створами должно равняться приблизительно трех-четырех-кратной ширине реки. Кроме того, поплавок должен проходить это расстояние не менее чем за 25 секунд. Бросают на середину реки 10 поплавков или более на расстояние 1 — 2 м и выше верхнего створа, где наибольшая скорость воды. Секундомером засекают время прохождения каждого поплавка через верхний, средний и нижний створы. После этого проводят детальные промеры живых сечений на каждом створе (рис. 1, б). Ход расчетов виден из примера. ПРИМЕР. Определить расход воды по следующим данным: расстояние между крайними створами h = 12 м, время прохождения брошенных в воду поплавков: 32, 29,36,30,28,35,31,33,30 и 32 сек. Среднее время tср. равно среднему из двух наименьших значений:   tср = (29 + 28)/2 = 28.5 сек.   Максимальная поверхностная скорость:   Vпов = h/tср = 12/28.5 = 0.42 м/сек   Промеры живых сечений на створах следующие:  
Верхний створ:  
Расстояние от уреза воды, м 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5    
Глубина воды,м 0.15 0.29 0.41 0.36 0.22 0.10    
Средний створ:  
Расстояние от уреза воды, м 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.9      
Глубина воды, м 0.11 0.40 0.40 0.42 0.21      
Нижний створ:  
Расстояние от уреза воды, м 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.1
Глубина воды, м 0.16 0.28 0.40 0.46 0.40 0.25 0.25 0.05  
 
  где z тр — коэффициент, показывающий долю скоростного напора, затраченного на преодоление данного сопротивления; V — скорость движения потока. Потери напора по длине определяют по формуле:   hдл=zдлV2/2g, (4.3)   Местные потери определяют по формуле:   hм = zм V2 / 2g , (4.4)   Коэффициент сопротивления по длине определяют по формуле:   zдл = l I / 4R, (4.5) где l — коэффициент сопротивления трению по длине; I — длина рассматриваемого участка; R — гидравлический радиус. При равномерном движении воды в открытых руслах, характеризуемых равными глубинами в рассматриваемых сечениях, имеем:   Р1/g= Р2/g ; V1 = V2; а1V12/2g = a2V22/2g. (4.6)   Потери напора происходят только по длине потока hдл и равны разности геометрических высот. В этом случае уравнение Бернулли примет вид:   hдл = Z1 - Z2, (4.7)   Обозначив расстояние между рассматриваемыми сечениями через I, найдем потери напора на единицу длины пути движения воды:   hдл / I = (Z1 - Z2) / I, (4.8)   Отношение hдл / I равно гидравлическому уклону i. Потери напора по длине потока зависят от скорости V, гидравлического радиуса R, шероховатости стенок (русла), в которых движется поток, его длины I и плотности жидкости и определяется
 
 
 

               
   
b — ширина порога, м; Н — величина напора, м.   Водосливы с широким порогом используются в качестве водосбросных сооружений при плотинах. Расход воды через подобные водосливы рассчитывается по формуле:   Q = mw , (3.8) где m — коэффициент расхода; w — живое сечение потока; Н — напор, м. 4 Определение напора в трубах   Цель занятия — закрепить теоретические знания по элементам гидравлики. Материальное обеспечение занятий — исходные данные по характеристике потока; микрокалькуляторы. 4.1 Основные понятия по теме занятия   При движении жидкости в реках, каналах, лотках, трубах и т. п. происходят затраты энергии потока на преодоление сопротивлений движению, вызывая потери напора, возникающие при движении жидкости. Гидравлические сопротивления можно разделить на два вида: сопротивления по длине потока и местные сопротивления. Сопротивления по длине потока обуславливаются силами трения о дно и стенки русла и зависят от длины потока и шероховатости русла. Местные сопротивления вызываются местными препятствиями течению воды (поворотом русла, резким его расширением или сужением и др.). В соответствии с видами потерь напора выделяются два вида сопротивлений: по длине потока hдл и местные hм. Общие потери напора hтр равны их сумме: hтр = hдл + hм , (4.1)   Все потери напора (местные и по длине) в общем виде определяются по формуле Вейсбаха:   hтр =zтр V2 / 2g, (4.2)
 
Площадь живого сечения W определяют как сумму элементарных фигур (трапеций, треугольников), а смоченный периметр c — как сумму гипотенуз прямоугольных треугольников. В нашем примере: Wв = 0.76 м2 cв = 3.59 м Wс = 0.76 м2 cс = 3.10 м Wн = 1.09 м2 cн = 4.22 м   Wср = (Wв + 2Wс + Wн) / 4 = 0.84 м2   cср = (cв + 2cс + cн) / 4 = 3.50 м2   Для вычисления расхода воды необходимо от поверхностной скорости перейти к средней скорости течения воды, что осуществляется через переходной коэффициент К1:   V = Vпов × К1; К1 = С / (C + 14);   где С — скоростной коэффициент формулы Шези. Определяется по формулам Н.Н. Павловского, И.И. Агроскина и Базена. По формуле Базена: С = 87 / (1 + g / ÖR), где g — коэффициент шероховатости, для чистых земляных русел; R — гидравлический радиус. R = Wср / cср = 0.84 м2/3.50 м = 0.24 м Ö R = Ö 0.24 = 0.50; С = 87 / (1 + 1.30/0.50) = 24.2; К1 = 24.2 / (24.2 + 14) = 0.63; V = 0.63 × 0.42 = 0/27 м/сек; Q = Wср × V = 0.84 × 0.27 = 0.23 м3/сек.   Гидравлические расчеты проводятся для определения размеров поперечных сечений водоприемников, каналов и сооружений, проверки их устойчивости против размыва и заиления, а также увязки расчетных горизонтов воды в каналах и водоприемниках, условий вертикального сопряжения элементов осушительной сети. Для расчета проводящих каналов применяется следующая
 
 
 

               
   
формула равномерного движения:   Q = W × V = W × C , (3.2)   где Q — расход воды, м3/сек; W — площадь живого сечения, м2; V — средняя скорость потока, м/сек; C — скоростной коэффициент; R — гидравлический радиус, м; J — уклон дна канала. Скоростной коэффициент С определяется по формуле: а) Академика Павловского:   С = I×Ry/n , (3.3) где y = 2.5 Ön - 0.13 - 0.75ÖR (Ön -0.10). Для практических расчетов допускается определение по приближенным формулам: y » 1.5 Ön при R до 1.0 м; y » 1.3 Ön при R более 1.0 м.   б) Проф. Агроскина: С=I/n+17.72lgR, (3.4) где n — коэффициент шероховатости; R — гидравлический радиус, м. Примечание.1. Формулой акад. Павловского можно пользоваться при величинах R от 0.1 до 3 м и n от 0.011 до 0.04, а в остальных случаях необходимо пользоваться формулой проф. Агроскина. 2. Значение коэффициентов шероховатости n, скоростных коэффициентов С и допустимых скоростей течения воды даны в приложениях 1, 2 СНиП 2.06.03-85.     3.2 Определение расходов воды в открытых водотоках по водосливам Водосливом называется сооружение, перегораживающее поток (рис. 2). В перегораживающем сооружении (стенке) может устраиваться вырез.
 
Рисунок 2 - Течение воды через водослив   ВБ и НБ — верхний и нижний бьефы-участки, расположенные выше и ниже стенки водослива, а — гребень водослива, hВБ и hНБ — глубины потока в верхнем и нижнем бьефах, РВБ и РНБ — высоты порога водослива соответственно со стороны верхнего и ниж­него бьефов, Н — напор воды, С — толщина порога и водосливы различной формы а, б, в. Нижняя кромка выреза называется порогом водослива. Форма выреза может быть прямоугольной (рис. 2, а), трапецеидальной (рис. 2, б), треугольной (рис. 2, в) и пр. Водосливы бывают с тонкой стенкой и с широким порогом. Толщина стенки величина относительная, определяемая по отношению напора Н к толщине порога С (рис. 2). У водослива с тонкой стенкой Н превышает С не менее, чем в 2 — 3 раза. Водосливы с тонкими стенками можно при небольших расходах воды использовать в качестве водомерных сооружений.   Расход воды рассчитывается по формулам:   прямоугольный водослив Q = 1.95 bH Ö H, (3.5)     трапецеидальный водослив Q = 1.86 bH Ö H, (3.6)     треугольный водослив Q = 1.4 H2 Ö H, (3.7)     где Q — расход воды, м3/с;
 
 
 





Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015- 2019 megalektsii.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.