Неравномерное движение в открытых руслах рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Расчетная работа 1. Построение кривой свободной поверхности

Расчетная работа 2. Построение депрессионной кривой движения грунтовых вод

Расчетная работа 3. Определение параметров водопропускного сооружения

Введение

Территория Восточной Сибири и Дальнего Востока покрыта густой речной сетью. Только к бассейну реки Енисей относятся более 17 тысяч различных рек. Северо-восточные районы страны недостаточно освоены в транспортном отношении. В этих районах слабо развита сеть железных и автомобильных дорог. Поэтому водный транспорт занимает ведущее место при перевозке различных промышленных грузов и пассажиров. Для многих удаленных районов Восточной Сибири, Севера и Дальнего Востока водный транспорт является единственным способом сообщения и транспортировки грузов.

Исследования показали, что более половины рек, расположенных в районах Восточной Сибири, Севера и Дальнего Востока, можно отнести к категории горных и полугорных. Развитие судоходства и лесосплава на этих реках сдерживается из-за наличия многочисленных препятствий в виде каменистых образований (пороги, шивера, перекаты).

Так, основным видом путевых работ при регулировании каменистых участков рек являются дноуглубление (устройство прорезей) и скалоуборочные работы (расчистка русла от крупных камней и выступов горных пород). Дноуглубительные и скалоуборочные работы следует рассматривать как самостоятельный вид путевых работ на каменистых участках реки для последующего выправления их с помощью руслорегулирующих сооружений (дамбы, запруды, полузапруды и т.д.).

Поэтому для проектирования и эксплуатации лесозадерживающих и гидротехнических сооружений, проведения путевых работ на реках необходимо владеть как теоретическими сведениями по гидравлике открытых русел, так и уметь выполнять инженерные расчеты с целью улучшения условий судоходства и водного транспорта леса.

В настоящее время в инженерной практике приходится решать задачи, связанные с неравномерным движением в открытых руслах, на начальной стадии проектирования гидротехнических сооружений. Поэтому находит широкое применение использование теории неравномерного движения для использования в практических расчетах.

Расчетная работа 1. Построение кривой свободной поверхности потока

грунтовая вода водоспускное сооружение

Постановка задачи

Задается характеристика русла водопотока. Требуется определить нормальные и критические глубины потока, критический уклон и построить кривую свободных поверхности потока

Исходные данные:

Характеристика русла водотока:

форма поперечного сечения - симметричная трапеция (рисунок 1.1);

дно русла песчано-гравийное;

ширина русла по низу, ;

Схема поперечного сечения потока приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Схема поперечного сечения потока

коэффициенты заложения откосов, и ;

уклон дня участка реки i выбирается по таблице 1.1- Варианты заданий, для четырех участков;

коэффициент шероховатости принимаем =0,03.;

расход воды в русле, .

Таблица 1. Вариант заданий 8.

1()	2()	3	4
0,0035	0,0015	0,095	0,0

Методика расчета

1. Принимаем коэффициент шероховатости русла =0,03.

2. Нормальные и критические глубины находим графическим способом. Для этого задаемся рядом (не менее 5) произвольных значений глубины и по формулам определяем следующие значения:

, м² - площадь живого сечения;

(1.1)

, м - смоченный периметр;

(1.2)

, м - гидравлический радиус;

(1.3)

С , м^0,5/с- коэффициент Шези;

, (1.4)

где при R > 1м; при R < 1м.

К , м³/с - расходная характеристика;

(1.5)

С учетом данных получаем расчетные формулы:

Данные расчетов заносим в таблицу 2.

Таблица 2.

h,м	, м2	, м	R, м	С ,м0,5/с	K, м3/с
0,25	2,59375	10,90139	0,237928	22,95512	29,04228
0,5	5,375	11,80278	0,455401	27,1725	98,56103
1	11,5	13,60555	0,845243	31,90866	337,3629
1,5	18,375	15,40833	1,192537	34,68148	695,9226
2	26	17,2111	1,510653	36,57806	1168,897
2,5	34,375	19,01388	1,80789	38,08775	1760,411
3	43,5	20,81665	2,089673	39,35045	2474,447

Рисунок 1.2 - Зависимость

По заданному расходу и заданным уклонам по формуле

, (1.6)

Вычисляем расходные характеристики для каждого участка при . По расходным характеристикам определяем соответствующие им нормальные глубины по графику.

Таблица 3.

	1	2	3	4
	0,0035	0,0015	0,095	0,0
	1352,25	2065,6	259,55	-
,м	2,2	2,7	0,8

3. Критическую глубину определяем из формулы:

, (1.7)

где и - соответственно ширина по верху и площадь живого сечения потока при критической глубине, м.

Ширина потока по верху определяется по зависимости:

. (1.8)

Принимая - коэффициент Кориолиса, вычисляем:

, .

Подбираем такую глубину, при которой величина

Достаточно достичь разницы значений этих величин в пределах 5%. Удовлетворяющее этому условию значение величины и будет искомая критическая глубина . Для этого, задаваясь рядом значений , строим кривую .

Таблица 4.

, м	,
0,5	155,28	11,5	13,5	653
1,0	1520,87	13	117
1,5	6204,15	14,5	427,9
2,5	17576	16	1098,5

Рисунок 1.3 - Зависимость

По графику находим для соответствует м.

4. Критический уклон находим по формуле:

(1.9)

м,

м,

5. Для построения кривой свободной поверхности потока вычертим схему продольного профиля дна и нанесем линии нормальных и критических глубин.

Под каждым участком пишем соотношения между нормальной и критической глубиной, а также между уклонами дна и критическими уклонами. Длину участков будем считать достаточно большой протяженности и условимся, что на части их устанавливается равномерное движение. В начале 1 участка сечение 0 принимаем равномерное движение, т.е. .

Построение продольного профиля свободной поверхности начинаем с сечения, в котором заведомо известна глубина потока. У нас это - начало 1 участка () и II сечения .

Начнем построение схемы свободной поверхности потока со II участка, где . В конце участка между I и II створами глубины убывают от до - устанавливается кривая спада.

В конце участка перед I створом глубины увеличиваются от до , т.е. образуется кривая подпора.

В начале участка между II и III сечениями в связи с резким увеличением уклона дна >> глубины убывают от во II створе до в сечении II - III , т.е. устанавливается кривая типа .

В створе III из-за уменьшения уклона дна (< ) глубины возрастают от до , образуют кривую (прямую) подпора, т.к. в конце кривой (прямой) подпора при , а уклон , поток должен перейти в спокойное состояние, увеличение глубины сверх критического значения должно произойти в виде прямой подпора . Глубина в IV створе определяется длиной кривой спада , т.е. длиной участка. Эта глубина будет конечной глубиной прямой подпора и начальной глубиной кривой спада .

Рисунок 1.2 - Схема кривой свободной поверхности

Расчетная работа №2. Построение депрессионной кривой движения грунтовых вод

Постановка задачи

На работу различных гидротехнических, дорожно-транспортных и других промышленных сооружений существенное влияние оказывают грунтовые воды. Движение грунтовых вод является частным случаем фильтрации жидкости.

Движение грунтовых вод может быть напорным и безнапорным. При последнем поток грунтовых вод имеет свободную поверхность, называемую депрессионной.

Скорость фильтрации линейно зависит от гидравлического уклона .

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости и численно равен скорости фильтрации при .

Одним из наиболее распространенных случаев практики дорожно-транспортного и гидротехнического строительства является необходимость расчета фильтрации воды через тело однородной земляной насыпи, в поперечном сечении имеющую трапецеидальную форму. В виде таких насыпей выполняются насыпи дорог, береговые опоры мосты, плотины, перемычки котлованов, запруды, дамбы и т.д.

Неизвестными величинами являются высоты: и , расстояние , и - удельный расход фильтрации. Необходимо определить эти величины и построить кривую депрессии.

По результатам расчетов делается вывод о надежности сооружения, необходимости применения специальных мероприятий, особенно в случае, когда кривая депрессии выклинивается на низовой откос выше бытового уровня.

Дано:

Таблица 1.

вариант
2 грунт- супесь	2,9	1,9	10	0,4	1,5

Методика расчета

1. Задаемся рядом значений (не менее пяти значений ) и определяем величину отношения по зависимости:

, (2.1)

где - коэффициент фильтрации грунта.

Результаты расчетов вносим в таблицу 2

Таблица 2

0,42	21	1,322219	0,013333	0,054
0,44	11	1,041393	0,026667	0,091
0,46	7,666667	0,884607	0,04	0,121
0,48	6	0,778151	0,053333	0,149
0,5	5	0,69897	0,066667	0,174

2. Для принятых в п.1 значений вычисляем значения по зависимости:

(2.2)

Результаты расчетов заносим в таблицу 3.

Таблица 3

0,42	13,72
0,44	13,69
0,46	13,66
0,48	13,63
0,5	13,6

Находим значение по формуле:

(2.3)

cоответствующее раннее принятым .

Результаты расчетов заносим в таблицу4.

Таблица 5

0,42	13,72	0,054	0,96
0,44	13,69	0,091	1,2
0,46	13,66	0,121	1,36
0,48	13,63	0,149	1,5
0,5	13,6	0,174	1,61

3. Определяем отношения по вычисленным по зависимости

(2.4)

Результаты расчетов заносим в таблицу 5.

Таблица 5

0,42	0,96	0,252
0,44	1,2	0,249
0,46	1,36	0,227
0,48	1,5	0,193
0,5	1,61	0,153

4. По вычисленным данным в п.1 и принятым значениям строим график зависимости - кривая 1 (рисунок 2). На этих же координатах по данным п.3 , строим вторую кривую зависимости

Таблица 6 - Сводная таблица

0,42	13,57	0,054	0,96	0,252
0,44	13,54	0,091	1,2	0,249
0,46	13,51	0,121	1,36	0,227
0,48	13,48	0,149	1,5	0,193
0,5	13,45	0,174	1,61	0,153

Рисунок 1 - Зависимости и

5. По точке пересечения кривых 1 и 2 (рис.2) находим искомые и

,

6. Определяем удельный расход фильтрации потока м/с по зависимости:

(2.5)

а также значения по формуле (2) и по формуле (3) .

для грунта - суглинок , ,

принимаем

7. Вычисляем координаты кривой депрессии в пределах средней части насыпи по формуле:

(2.6)

Принимая от до и из п.7 вычисляем , получаем ряд значений

(2.7)

По результатам расчетов строим депрессионную кривую.

Рисунок 2 - Схема фильтрации

Расчет фильтрации воды (плоской задачи) через тело земляной насыпи, расположенной на горизонтальном водоупоре. Выполняется по методу Н.Н. Павловского. Насыпь делится на три фрагмента двумя вертикальными осями: ось , проходящая через верхнюю точку откоса, ось 2, проходящая через точку А - выхода кривой депрессии на низовом откосе. Таким образом: I - верховой клин; II - средняя часть; III - низовой клин. Кривая депрессии от глубины Н верхнего бьефа снижается до значения на оси , по нелинейному закону изменяется (уменьшается) в пределах среднего участка и на расстоянии выходит на низовой откос.

Результаты расчетов заносим в таблицу 7.

Таблица 7.

0	2,4025	1,55
2	1,6721	1,293097
4	1,0641	1,031552
6	0,4561	0,675352
7	0,1521	0,39
7,5	0,0001	0,01
12	-1,3679
13,62	-1,86038

Вывод. Сооружение достаточно надежное. Необходимости применения специальных мероприятий нет.

Расчетная работа 3. Определение параметров водопропускного сооружения

Постановка задачи

Сток воды водотоков в местах пересечения с пониженными участками дорог должен быть обеспечен специальными водопропускными сооружениями. Пропускные сооружения могут быть выполнены в идее малых мостов, безнапорных, полунапорных или напорных дорожных водопропускных труб.

На рисунке 3.1 показаны схемы поперечного сечения малого моста (а) и полунапорной трубы (б). Требуется рассчитать параметры отверстия малого моста с прямоугольным сечением.

Рисунок 3.1 - Схема сечения: а - малого моста; б - полунапорной трубы

1. Исходные данные.

- расход водотока,

м - бытовая глубина,

грунт дна потока - галечник.

2. Методика расчета.

1. С целью укрепления отверстия малого моста применяем укрепление подмостового русла одиночным мощением щебнем толщиною 20см. Для такого типа укрепления допускаемая неразмывающая скорость < 3м/с.

2. Определяем критическую глубину потока м в подмостовом сечении по формуле:

(3.1)

м,

м/с²

3. Определяем схему протекания потока через отверстие малого моста, для чего используем критерий: , .

В данном случае > , следовательно, сооружение работает как подтопленный водослив.

4. Определяем ширину В отверстия малого моста по формуле:

, (3.2)

где - коэффициент сжатия.

м.

5. Для обеспечения допустимой скорости под мостом, а также с целью достижения ближайшей большей стандартной ширины отверстия окончательно уточняем значение ширины отверстия В типовых конструкций моста.

В соответствии с ГОСТом принимаем В = 12м.

6. Уточняем значение скорости под мостом по формуле:

, (3.3)

м/с

7. Определяем значение критической глубины для принятого отверстия моста по формуле:

(3.4)

м.

9. Находим значение гидравлических параметров:

Площадь живого сечения - , м² .

(3.5)

м² .

Смоченный периметр - , м.

(3.6)

м

Гидравлический радиус - ,м.

(3.7)

м

Коэффициент Шези - С , м^0,5/с.

, (3.8)

- коэффициент шероховатости.

10. Определяем уклон дна под мостом по формуле:

(3.9)

11. Определяем глубину воды перед мостом по формуле

, (3.10)

где - скоростной коэффициент

м.

Размещено на Allbest.ru