1530

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

Кафедра «Проектирование дорог»

ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ

Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей

Составители: Т.П. Троян, О.В. Якименко

Омск

СибАДИ

2009

3

УДК 625.72 ББК 39311-021

Рецензент канд. техн. наук, доц. Т.П. Синютина

Работа одобрена научно-методическим советом специальностей 270200, 270100, 080500 в качестве методических указаний для студентов специальностей 270205 – Автомобильные дороги и аэродромы, 270201 – Мосты и транспортные тоннели, 080502 – Экономика и управление на предприятии (дорожное хозяйство).

Инженерная гидрология: Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей / Сост.: Т.П. Троян, О.В. Якименко. – Омск: СибАДИ, 2009. – 40 с.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Инженерная гидрология» составлены по одноимённому курсу и являются вспомогательным материалом при подготовке, выполнении и оформлении лабораторных работ.

Методические указания предназначены для студентов , обучающихся по специальностям «Автомобильные дороги и аэродромы», «Мосты и транспортные тоннели», «Экономика и управление на предприятии (дорожное хозяйство)».

Табл. 5. Ил.10. Библиогр.: 11 назв.

© ГОУ «СибАДИ», 2009

4

ВВЕДЕНИЕ

В дорожно-мостовом строительстве необходимость использовать различные параметры водного потока возникает на стадии изысканий автомобильных дорог и мостовых переходов, при их проектировании, разработке проектов организации строительства дорог, водопропускных труб, мостов и других дорожных водопроводящих сооружений. Гидрологические данные широко используются и во время их строительства и эксплуатации. Чтобы рационально проектировать, строить и эксплуатировать транспортные сооружения, требуются за длительный период подробные сведения о гидрологическом режиме водных объектов, вблизи которых они расположены или пересекают их. Гидрологическими и гидравлическими факторами определяются генеральные размеры сооружений: отверстия мостов и труб, глубина заложения фундаментов опор мостов, отметки бровок земляного полотна, способы крепления откосов полотна, размеры различных сооружений для обеспечения стабильности земляного полотна.

Запроектированный мостовой переход через водоток, включающий мост, подходные насыпи и регуляционные сооружения (струенаправляющие дамбы), должен обеспечивать безопасный пропуск высоких вод и ледохода. При взаимодействии потока с сооружениями мостового перехода возникают интенсивные размывы русла вследствие стеснения потока, которые также должны быть учтены при проектировании мостов. Размывы русел возникают и в нижних бьефах водопропускных труб.

Цель цикла лабораторных работ по дисциплине «Инженерная гидрология» – познакомить студентов с явлениями, происходящими в руслах рек в естественном состоянии и при стеснении их транспортными сооружениями, используя уникальный лабораторный комплекс, состоящий из трёх модулей:

1)аэродинамическая модель криволинейного участка русла;

2)четыре лотка, наполненные песком разных фракций;

3)модель мостового перехода с береговым устоем и опорой моста. Наличие библиотеки гидрологических ежегодников, включаю-

щих данные натурных наблюдений за режимом рек на водомерных постах, даёт возможность познакомить студентов с методиками гидрологических расчётов для конкретных водных объектов в различных климатических зонах.

5

1. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Моделированием называется исследование физических процессов на моделях. Различают моделирование физическое и математическое.

Вслучае физического моделирования модель воспроизводит изучаемое явление (оригинал, натуру) с сохранением его природы.

Воснову физического моделирования гидравлических явлений положена теория подобия, которая предполагает геометрическое, кинематическое и динамическое подобие явлений.

Две гидравлические системы (два гидравлических явления) считаются геометрически подобными в том случае, если между сходственными размерами этих систем всюду существует постоянное соотношение:

lм

l

где lí – некоторый размер действительного сооружения (натуры); lì

– сходственный размер модели; al – масштаб длин.

Две гидравлические системы считаются кинематически подоб-

ными, если:

а) траектории, описываемые сходственными частицами жидкости обеих систем, геометрически подобны и одинаково ориентированы в пространстве;

б) скорости и ускорения в сходственных точках в соответственные моменты времени всюду связаны постоянными соотношениями.

Две гидравлические системы считаются динамически подобными, если многоугольники сил, построенные для любых двух сходственных точек рассматриваемых систем, являются геометрически подобными, причём масштаб сил оказывается одинаковым для всех пар сходственных точек (натуры и модели).

Таким образом, динамическое подобие может иметь место только при наличии кинематического, а следовательно, и геометрического подобия.

Проектирование модели, динамически подобной действительному потоку, осложняется тем, что величины сил, скоростей, давления и других параметров обычно неизвестны для различных точек интересующей нас области, так как отыскивание этих величин и является целью создания модели и проведения на ней соответствующих измерений. Однако судить о динамическом подобии двух систем измерением и сравнением между собой сил, действующих на эти системы,

6

практически неудобно и даже невозможно. Вместе с тем легко видеть, что соотношение сил, действующих в натуре и на модели, может быть установлено косвенно: по имеющимся соотношениям масштабов длины, скорости и плотности жидкости, т. е. по соотношению величин, легко поддающихся измерению.

Принимая такой косвенный метод оценки динамического подобия, пользуются так называемыми критериями динамического подобия, выражающими безразмерное соотношение соответствующих сил, действующих в потоке. Так, например:

- число Фруда (Fr – критерий гравитационного подобия) представляет собой меру отношения сил инерции к силам тяжести:

gl

где u – скорость в данной точке (местная скорость); l – какой-либо линейный размер; g – ускорение свободного падения;

- число Рейнольдса (Re – критерий режима движения) представляет собой меру отношения сил инерции к силам трения:

p

где – плотность жидкости; p – гидростатическое давление.

Другие критерии, относящиеся к другим силам, дают возможность создавать на моделях динамически подобные натуре потоки и, исследуя их, получать интересующие зависимости для натуры.

При моделировании открытых потоков обычно используют критерий подобия Фруда. Учёт сил вязкости ограничивается сохранением на модели турбулентного режима в границах так называемой автомодельной области, т.е. области квадратичных потерь энергии. Однако в русловых исследованиях и это требование оказывается трудновыполнимым. При тех же линейных масштабах, которые осуществимы в современных лабораториях, глубины на модели, рассчитанной по Фруду, оказывается недостаточно для возникновения турбулентности. Модельный поток попадает в качественно иную, ламинарную область движения. Количественные изменения приводят к явным качествен-

7

ным изменениям, в корне нарушающим кинематическое и динамическое подобие. Чтобы избежать этих явных нарушений качественного подобия, практика модельных исследований допускает искажение моделей укрупнением вертикального масштаба по сравнению с плановым. Этим достигается увеличение числа Рейнольдса и переход в автомодельную область.

Допустимость степени искажения определяется интуицией исследователя или обосновывается высказываниями авторитетных специалистов.

Врусловом процессе деформации русла и строение скоростного поля представляют взаимосвязанное явление, удовлетворяющее требованию транспортировать заданное количество наносов заданного состава действием потока заданного режима. Комплексное решение данной проблемы на сегодняшний день невозможно. Поэтому придерживаются общего принципа лабораторных исследований – расчленяют сложный процесс на составные элементы и рассматривают эти элементы изолированно.

Влабораторной практике мало используются заменители песка как размываемого материала. Известны попытки заменить песок измельчённым антрацитом, древесными опилками, проваренными в масле, измельчённой гарью и даже измельчённым янтарём. Однако широкого применения они не получили, что связано с трудностями изготовления достаточного количества заменителя и подбора их свойств.

Значительно сложнее обстоит вопрос о заменители воды. До настоящего времени такая замена осуществляется лишь на воздушных моделях.

Вслучае математического моделирования гидравлических систем физические процессы исследуют путём опытного изучения аналогичных явлений, имеющих иное физическое содержание, но описываемое теми же математическими уравнениями.

Так, в основу движущейся системы "вода–наносы" были положены соответствующие методы, принятые при изучении распределения скоростей воздушного потока.

Проанализируем механизм выведения наносов из состояния по-

коя.

Характер движения взвешенных и донных наносов определяется главным образом турбулентным режимом течения воды в реках. Вихри, постоянно зарождающиеся у дна, и непрерывная пульсация скоро-

8

стей течения в толще водяного потока обеспечивают перенос частиц в виде взвеси на большие расстояния.

Рис.1. Силовое воздействие потока на лежащую на дне частицу:

а – нормальные и касательные напряжения на поверхности обтекаемой частицы; б – силы, действующие на лежащую на дне частицу

На частицу в момент её отрыва от дна действуют:

-сила тяжести G;

-подъёмная сила Pв;

-нормальное гидродинамическое давление p (эпюра на рис. 1,а);

-касательные напряжения τ и реакции R1, R2, R3 (рис. 1,б) в точках соприкосновения с соседними частицами.

За счёт силы лобового давления текущей воды, сил трения и недостатка давления на тыльной стороне частицы образуется горизонтальная сила P1. Результатом вертикального воздействия обтекающего потока является подъёмная сила P2. Ввиду наличия подъёмной силы частицы опрокидываются и катятся по дну. Под действием вихрей катящиеся частицы приподнимаются над дном и на некотором расстоянии движутся, не соприкасаясь с ним. При этом исчезает подъёмная сила, вызывавшаяся несимметричным обтеканием частицы снизу

исверху, и под действием силы тяжести она снова возвращается на дно и катится по нему. Таким образом, частицы донных наносов на некоторой длине перемещаются как бы скачками.

Обратимся к теории ветровой эрозии. Традиционный подход к моделированию сил, действующих на частицу, основан на рассмотрении баланса сил, приложенных к единичной частице поверхностного слоя почвы, и последующей экстраполяции результатов на все остальные частицы.

9

Втеории принимается существенным действие только потока на частицу, влиянием же частиц на поток пренебрегают, т.к. масса частиц потока определенного объема составляет ничтожную часть в масштабах ветровой эрозии от массы воздуха рассматриваемого объема.

Внаправлении горизонтальной оси на частицу действует только сила лобового сопротивления. Эта сила придает частице ускорение в направлении этой оси. Поэтому согласно второму закону Ньютона в направлении вертикальной оси на частицу действуют:

- подъемная сила Жуковского, направленная вертикально вверх; - сила Архимеда, результирующая которой направлена вниз; - сила сопротивления Стокса;

- упругие силы, возникающие при взаимном соударении частиц или при ударе их о подстилающую поверхность;

- электрические силы; - сила Магнуса.

Считается, что силы электрической природы не вносят существенного вклада в перемещение почвенных частиц ветром. Сила Магнуса, возникающая при вращательном движении частиц в потоке, оказалась недостаточной для подъема частиц вследствие сравнительно малой скорости их вращения, поэтому российские ученые пренебрегают ею.

Главную роль играют подъемная сила и сила лобового давления. Подъемную силу связывают с возникновением различия в давлениях между верхней и нижней поверхностями обтекаемой потоком частицы. По мере удаления почвенной частицы от поверхности подъемная сила быстро убывает и на высоте в несколько диаметров частицы она стремится к нулю. В результате траектория частицы состоит из участков взлета и падения.

Сам собой напрашивается вывод: поведение частицы почвогрунта в подвижной воздушной среде идентично поведению частицы речных наносов.

Во многих источниках приводятся критериальные уравнения, которые практически не отличаются при исследовании водных потоков на аэродинамических моделях. Небольшие отличия объясняются, скорее всего, использованием в аэродинамических установках относительно гладких поверхностей.

10

2.КОМПЛЕКС АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ИИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Особенность предлагаемых лабораторных работ состоит в том,

что в их основе лежит принцип моделирования открытых водных потоков на напорных воздушных моделях, покрытых стеклом, имити-

рующем свободную поверхность водного потока. Аэродинамические модели используются для изучения водных

потоков с середины 19 века. Такое моделирование возможно только в том случае, если число Фруда водного потока удовлетворяет условию Fr 0,1. Следует заметить, что этому условию удовлетворяют равнинные реки и некоторые реки предгорных областей.

Скорость движения воздуха на модели должна быть такой, чтобы не было проявления эффектов, связанных с его сжимаемостью. Сжимаемостью воздуха можно пренебречь, если скорость его движения будет удовлетворять условию u 100 м/с. Используемые на моделях вентиляционные установки создают на них скорости движения воздуха, меньшие указанного предельного значения. Чтобы движение воздуха было устойчивым, лабораторные установки работают по принципу всасывания в них воздуха с помощью вентиляторов.

Наличие стекла, заменяющего на модели свободную водную поверхность, создает дополнительное сопротивление движению воздуха, хотя шероховатость стеклянной поверхности намного меньше шероховатости поверхности русла на модели. Это, в частности, проявляется в том, что максимальная скорость на вертикали в условиях модели находится не на свободной поверхности, как в натурном потоке, а немного ниже этого уровня. Однако при проведении исследований и обработке их результатов эта особенность потока на модели приниматься во внимание не будет, учитывая, что ошибки в расчетах при таком допущении, как правило, не превышают ошибку измерений.

Лабораторные исследования не ставят перед собой задачу моделирования явлений в какой-то конкретной реке или на каком-то конкретном мостовом переходе. Однако явления на модели должны протекать так, как это происходит в натуре. Для этого следует выполнить некоторые дополнительные условия, которые вытекают из принципов физического моделирования явлений. Но эти вопросы в круг задач, рассматриваемых в лабораторных работах, не входят.

11

Рис. 2. Комплекс аэродинамических установок, включающий модель меандрирующего русла, лотки с песком для определения транспортирующей способности потока и модель мостового перехода