Гидравлический расчет каналов

Гидравлический расчет каналов производится при расчетных расходах 0,15 м³/с и более по формулам:

· неравномерного движения – рек-водоприемников, а также устьевых участков магистрального и нагорных каналов, если они находятся в подпоре от водоприемника;

· равномерного движения – для валовых каналов, а также магистральных и нагорных каналов, если они не находятся в подпоре от водоприемника.

Целью гидравлического расчета является определение размеров поперечного сечения и пропускной способности каналов и водоприемников.

Расчет проводящих каналов осушительной сети ведется на пропуск расходов летних паводков 25 % обеспеченности, поверочные расчеты, а также расчет нагорных каналов – на пропуск максимальных расходов весеннего половодья расчетной обеспеченностью Р = 5 %. Меженные (бытовые) расходы определяются при P = 50 %.

Основными данными для гидравлических расчетов канала являются :

· расчетные расходы Q (основной и поверочный);

· пределы допустимых наименьших и наибольших скоростей течения воды в канале;

· коэффициент шероховатости проектируемого канала;

· продольный профиль канала (уклон дна);

· поперечный профиль канала (коэффициент заложения откосов m);

· расчетная глубина наполнения канала.

Расчет сводится к определению по основному расходу Q ширины канала по дну «b» при заданной глубине наполнения «h». Найдя ширину по дну «b», проверяют скорость течения воды. Если скорость потока не выходит за пределы допустимой, то ширина по дну считается приемлемой. В противном случае – в зависимости от надобности – увеличивается или уменьшается уклон дна, повышается (до допустимых пределов) глубина наполнения и соответственно сужается дно канала или наоборот.

Затем для установленной ширины по дну по расходам Qбыт и Q влв определяются горизонты стояния этих вод, а также соответствующие им скорости воды.

Обычно применяют графоаналитический метод расчета [3],пользуясь при этом понятием «модуля расхода».

Модулем расхода называется отношение

или , (3.21)

где расход . Тогда расход, выраженный через «модуль расхода», будет равен

, (3.22)

откуда следует, что модуль расхода К0численно равен расходу при уклоне, равном единице.

Порядок определения элементов живых сечений по этому способу следующий.

Зная расчётный расход Q и уклон дна канала i, находим требуемый модуль расхода:

(3.23)

Принимая глубину наполнения канала равной h, задаемся рядом значений ширины по дну b = b1, b2, b3 и т.д., вычисляем соответствующие им модули расхода К1, К2, К3 и т.д. по формуле

, (3.24)

где ω – площадь живого сечения, м²;

R – гидравлический радиус, м;

С – коэффициент, зависящий от шероховатости русла.

Для определения коэффициента С имеется ряд формул. Наиболее употребительна формула Н.Н. Павловского:

, (3.25)

где ; (3.26)

n – коэффициент шероховатости русла. При движении в каналах вода преодолевает сопротивление трения о стенки русла тем большее, чем больше неровностей имеет смоченный периметр. Степень сопротивляемости русла движению воды, зависящая от состояния его стенок характеризуется коэффициентом шероховатости, который определяется опытным путем и обычно дается в средних значениях группы русел[2].

Для каналов, находящихся в средних условиях, выполненных экскаватором с планированием стенок и дна, коэффициент шероховатости принимается равным 0,025. Для каналов и водоприемников, заросших растительностью по откосам и имеющих на дне и откосах неровности, а также для каналов, выполненных экскаваторами с выемкой грунта из-под воды, он равен 0.03, для водотоков пойм рек и окраек торфяного массива, покрытых кустарником и камышом, – 0,035 – 0,05, для водотоков пойм, покрытых лесом и сильно заросших кустарником – 0,05 и более [9].

Зная ширину по дну b, и задаваясь разными значениями h = h1, h2, h3 и т.д. также вычисляем модули расхода К = К1, К2, К3 и т.д. и строим график (рис.3.10).

Затем по расходу бытовых Qбыт и высоких весенних вод Qввв и уклону дна i находим соответствующие им модули расхода

и

Откладывая по оси ординат К = Кбыт и Кввв найдем по кривой

искомые глубины бытовых (меженных) и весенних вод (Рис. 3.10).

Пример 3.1. Для осушения торфяного массива, расположенного в Тверской области, рассчитать магистральный канал в устьевом пикете на пропуск воды с водосборной площади производственных полей добычи фрезерного торфа площадью 2500 га. Устье магистрального канала не находится в подпоре от водоприемника.

Рельеф водосбора – пологие склоны. Грунт, по которому проходит канал, – моховой торф средней степени разложения, поэтому откосы принимаем одиночные (m = 1). Проектный уклон дна канала i = 0,0009; = 0,03

Находим расчетные расходы.

Основной расчет ведем по высоким летним водам с P = 25 %. Модуль стока определяем по формуле Краснова-Митина (1.32), пример1.2.

,

Модуль стока высоких летних вод обеспеченностью Р = 25 %

Расчетный расход

Определяем расход весеннего паводка по формуле (1.25), пример 1.1.

Из примера 1.1 принимаем расход весеннего паводка Qвп = 7,92 м³/с.

Бытовой модуль стока для Тверской области принимаем без расчета 0,04 л/(с∙га).

Бытовой расход Qбыт = 0,04×2500×10^-3 = 0,10 м³/с.

Требуемые модули расхода соответственно будут равны ;

; .

Определение ширины канала по дну будем вести по расходу высоких летних вод при глубине наполнения h не более 0,7 м.

Ширину по дну b принимаем равной минимально допустимой (bmin= 0,5 м) и с шагом 0,3 – 0,4 м определим соответствующие им элементы живого сечения w, x, R, С по формулам (3.3), (3.5), (3.6), (3.8), (3.22), (3.25).

Так продолжаем до тех пор, пока не получим модуль расхода больше заданного,т. е. Результаты расчетов сводим в таблицу 3.9.

Таблица 3.9

Подбор требуемой ширины канала по дну, b

h, м	b, м	w, м2	c, м	R, м		C	K, м/с3	Q, м/с3	v, м/с
0,7	0,5	0,84	2,98	0,340	0,583	30,87	15,1
0,7	0,8	1,05	2,78	0,378	0,615	31,73	20,5
0,7	1,1	1,26	3,08	0,409	0,640	32,36	26,1
0,7	1,5	1,54	3,48	0,443	0,665	33,00	33,8
0,7	1,9	1,82	3,88	0,469	0,685	33,48	41,7
0,7	2,3	2,10	4,28	0,491	0,700	33,87	49,8
0,7	2,7	2,38	4,68	0,509	0,713	34,15	58,0
0,7	3,0	2,59	4,98	0,520	0,721	34,32	64,1
0,7	3,30	2,80	5,28	0,530	0,728	34,50	70,3
0,7	3,25	2,77	5,23	0,530	0,728	34,50	69,6	2,11	0,76
0,7

По данным табл. 3.9 строим график зависимости К = f(b) (рис. 3.28) и по требуемому модулю расхода определяем ширину канала по дну (b = 3.25 м). Для найденного значения b определяем все элементы живого сечения, расход по формуле (3.22) и скорость течения из формулы (3.9).

По установленной ширине по дну задаемся различными значениями глубины потока h и находим отвечающие им величины w, x, R, С и K (табл. 3.10).

Рис. 3.9. График зависимости Рис. 3.10 График зависимости K = f(b) K = f(h)

Таблица 3.10

Подбор глубины наполнения канала h

h, м	b, м	w, м2	c, м	R, м		C	K, м/с3	Q, м/с3	v, м/с
0,1	3,25	0,34	3,53	0,096	0,310	22,16	2,3
0,2	3,25	0,69	3,81	0,181	0,425	26,22	7,7
1,0	3,25	4,25	6,07	0,700	0,837	36,86
1,25	3,25	5,68	6,78	0,830	0,911	38,36
1,5	3,25	7,13	7,48	0,953	0,976	39,57
1,75	3,25	8,75	8,19	1,068	1,033	40,58
2,0	3,25	10,5	8,89	1,181	1,090	41,48
1,45	3,25	6,81	7,34	0,93	0,963	39,36		7,74	1,14
0,13	3,25	0,44	3,62	0,122	0,349	23,64	3,6	0,11	0,25

Затем строим график К = f(h) (рис. 3.10) и находим уровни и скорости hбыт = 0,13 м, υбыт = 0,11 м/с; и hввв.= 1.45 м, υввв = 1,14 м/с.

. Для найденных уровней определяем все элементы живого сечения, сравниваем фактические скорости течения с допустимыми.

Скорость движения воды является одним из главных элементов, влияющих на количество протекающей в канале воды. Однако практика ставит определенные, обычно узкие, пределы возможным скоростям.

С одной стороны, устанавливается верхний предел допускаемой скорости, выше которой появляется опасность размыва дна и откосов канала.

С другой стороны, требуется обеспечение некоторой минимальной скорости, ниже которой начинается оседание взвешенных частиц на дно и заиление русла канала, а также зарастание его травяной растительностью.

Пределы допускаемых скоростей зависят не только от рода грунта, в котором устроен канал, но и от размеров его, т. е. от величины гидравлического радиуса, а также от крупности содержащихся в потоке взвешенных частиц.

Для минеральных и торфяных грунтов максимальные скорости течения приведены в табл. 3.11 , установленные СН и П 2.06.03-85 [2] (при которых не наблюдаются размывы откосов).

Таблица 3.11

Допускаемые неразмывающие скорости потока

Примечание: для других значений R величину допускаемой скорости следует определять умножением табличных значений на R^0,66

Минимальные скорости потока для предупреждения:

· заиливания υ ≥ 0,2 м/c;

· осаждения из потока песка υ ≥ 0,4 м/c;

· зарастания дна и откосов травой υ ≥ 0,6 – 0,8 м/c.

Допустимая в отношении размыва скорость потока устанавливается по расходу летнего паводка, т. к. весенний сток происходит обычно в замерзшем грунте.