873

11

2.Измеренную величину ядра dя или спелой древесины сравнить с табличными значениями для данной породы и толщины сортиментов (см. табл.

честь обеспечена при > 0 и δ >1 и не обеспечена при < 0 и δ < 1.

3.Установить возможную продолжительность Т нахождения сортиментов на воде (сплаве или рейде).

4.Рассчитать процент обеспеченности плавучести общий и по породам исследованных лесоматериалов.

5.Дать предложения по сплаву лесоматериалов с недостаточной (необеспеченной) плавучестью.

Сосна

1.

2.

3.

Ель

1.

2.

3.

Лабораторная работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ

Цель работы: изучить устройство, принцип действия приборов и устройств, а также методику и технику измерения и расчёта скоростей течения и расходов воды.

До начала выполнения лабораторной работы студенты обязаны:

-изучить и практически освоить правила техники безопасности при работе в лаборатории на лесосплавном лотке и на водных объектах (на реке) и сдать зачёт преподавателю на право допуска к работе (отмечается в журнале по технике безопасности);

-проработать данные методические указания и рекомендуемые источники информации по теме лабораторной работы;

-провести подготовительные работы по материально-техническому обеспечению исследований (экипировка исследовательских партий), изучить

12

устройство и принцип действия приборов и принадлежностей и научиться пользоваться ими.

Экспериментальные и натурные исследования проводятся под контролем преподавателя и обслуживаются 1 — 2 лаборантами, ответственными за материально-техническое обеспечение и исправность оборудования.

Место проведения работы: гидравлический лоток (модель русла) лесосплавной лаборатории и река Усмань.

Оборудование, приборы и материалы: гидрометрическая вертушка ГР-21 — 1 шт., теодолит — 1шт., мерная лента со шпильками, размеченный трос, вешки — 6 шт., колышки — 10 шт., топор, лодка — 2 шт., батометр — 5 шт., секундомер — 2 шт., мензурка — 5 шт., гидрометрическая штанга, поплавки — 10 шт., микрокалькуляторы. В дальнейшем для конкретных исследований указано необходимое для них материально-техническое обеспечение.

Общие сведения об измерении скоростей течения воды

Из многообразия методов измерения скоростей течения воды наиболее приемлемыми для лесосплава являются: роторный, основанный на регистрации оборотов лопастного винта, поплавковый, использующий скорость плывущего тела, и объёмный, заключающийся в измерении воды, наполняющей ёмкость.

Роторный метод обеспечивает измерение скоростей течения в любой точке живого сечения потока воды и осуществляется с помощью специальных приборов — гидрометрических вертушек различных конструкций и систем. Гидрометрические вертушки на заводе-изготовителе тарируются в специальных гидравлических лотках, т.е. устанавливается зависимость между скоростью течения v воды и числом оборотов n лопастного винта в одну секунду — v=f(n), которая для удобства пользования изображается графически и прилагается в комплекте с гидровертушкой.

Поплавковый (поплавочный) метод основан на измерении скорости течения воды с помощью плывущего тела (поплавка), принимаемого перемещающимся равномерно. Это наиболее простой метод измерения скоростей течения воды сплавных рек и вполне удовлетворяющий требованиям лесосплава.

Объёмный метод, как и роторный, позволяет измерять скорость течения воды в любой точке живого сечения и осуществляется простейшими приборами, называемых батометрами, имеющими ёмкость (резиновый баллон), заполняющуюся водой, по секундному образцу V, которой и определяют скорость её течения v.

Как и гидрометрическая вертушка, батометр тарируется, при этом устанавливается эмпирическая зависимость v=f(V), интерпретируемая графически.

Все описанные методы находят применение на лесосплаве и при проектировании гидротехнических сооружений.

13

В данной лабораторной работе студенты должны изучить указанные методы измерения скоростей течения и отработать умения и навыки применения их на практике, а также анализировать и обрабатывать результаты измерений (исследований). С учетом этого работа выполняется как в лабораторных, так и в натурных условиях на реке . В лабораторных условиях отрабатываются умения и навыки выполнения измерений и их обработка в учебных целях, а в естественных, на реке, закрепляются эти приёмы, и выполняется инженерная работа, результаты которой используются в проектноь деле.

Измерение скоростей течения гидрометрической вертушкой и расчёт расхода воды. Измерение скоростей течения гидрометрической вертушкой и последующий расчёт расходов воды планируется произвести в лабораторных условиях в лесосплавном лотке и естественных условиях на реке Усмань. Лабораторные исследования проводятся с целью изучения конструкции геометрической вертушки и приобретения практических навыков для подготовки к работе в более сложных натурных условиях, т.е. на реке.

Перед началом измерений скоростей течения воды изучить конструкцию гидрометрической вертушки ГР-21.

Гидрометрическая вертушка предназначена для определения осреднённых по времени скоростей течения воды в различных точках живого сечения. Работа гидрометрической вертушки, погруженной в водный поток, основана на том, что лопастной винт в результате взаимодействия с движущейся водой вращается со скоростью, пропорциональной скорости течения воды. Эта пропорциональность несколько нарушается, так как на работу вертушки оказывает влияние трение в её узлах.

Гидрометрическая вертушка состоит из следующих основных частей: корпуса, ходовой части с контактным механизмом и лопастным винтом, хвостового оперения и сигнального устройства (см. рис. 4).

Корпус вертушки 1 служит для сочленения частей её и крепления на штанге или вертлюге, а также подключения сигнальной цепи. В удлинённой части корпус имеет глубокую полость, в которую вставляется ось собранной ходовой части 2 и крепится стопорным винтом. Корпус вертушки на удлинённой части имеет две клеммы для крепления проводов сигнальной цепи.

Корпус задней части имеет утолщение с вертикальным отверстием для крепления его на штанге или вертлюге зажимными винтами 18. К тыльной части корпуса крепится с помощью винта 19 хвостовое оперение 20 вертушки. Оно служит для ориентировки прибора навстречу движению и состоит из штока и двух симметрично расположенных вогнутых обтекаемых пластин. Ходовая часть с контактным механизмом и лопастным винтом является главным узлом гидрометрической вертушки. Она состоит из оси 2 с контактным механизмом, двух радиально-упорных шарикоподшипников 3, внутренней опорной втулки 4, наружной упорной трубки 5, осевой гайки 6, закрепляющей подшипник с упорными втулками на оси гильзы с червячной втулкой, лопастного винта 8 и зажимной муфты 9.

14

Контактный механизм состоит из червячной шестерни 10 с 20 зубцами, контактного штифта 11, контактной пружины 12 и токопроводящего стержня 14, изолированного от массы и соединяющего контактную пружину с гнездом штепселя 15.

Контактный механизм даёт одно замыкание электрической сигнальной цепи за один полный оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопастного винта.

Зависимость между числом оборотов лопастного винта устанавливается для каждой вертушки на заводе-изготовителе при тарировании, при этом прилагается график этой связи ( рис. 5).

Число оборотов лопастного винта и вертушки определяется по форму-

ле

где nобщ — общее число оборотов лопастного винта в данной точке измерений; t — продолжительность измерений, с.

Рис. 5. Тарировочная кривая гидрометрической вертушки

На основании данных многочисленных наблюдений установлено, что вполне достаточно ограничиться измерением скоростей течения в следующих пяти точках на вертикали (рис. 6):

1.На поверхности воды (лопастной винт полностью покрыт водой).

2.На расстоянии от поверхности 0,2h.

3.На расстоянии от поверхности 0,6h.

4.На расстоянии от поверхности 0,8h.

5.У дна (возможно ближе к дну, насколько позволяет конструкция вертушки). Величина h — глубина по вертикали.

15

Рис. 6. Модель расхода воды и распределение измеряемых скоростей на вертикали

Измерение скоростей течения в каждой точке производится не менее трёх раз, а затем находится средняя величина, так как скорости течения в каждой точке непрерывно изменяются, пульсируют, отклоняясь от средней величины до 30%.

Как показывает практика, достоверные результаты скоростей течения получаются при нижеследующих минимальных числах оборотов лопастного

Минимально необходимое время для измерения средних скоростей составляет: на поверхности и глубине 0,2h — 2 мин., на глубине 0,6h — 3 мин., на глубине 0,8h — 4 мин. и у дна — 5 мин.

Средние скорости течения на вертикалях рассчитываются по форму-

лам:

16

Точность вычисленных скоростей течения повышается с увеличением числа точек, в которых производятся измерения, и выбирается в зависимости от поставленной цели.

Средние скорости для частных (элементарных) расходов определяются по следующим формулам:

а) для крайних частей живого сечения

Приборы и инструменты для лабораторных измерений: гидрометрическая вертушка со штангой, секундомер, мерная линейка, микрокалькулятор.

Методика проведения и обработки результатов опытов. Измерение скоростей течения воды в лесосплавном лотке произвести упрощённо гидрометрической вертушкой, учитывая учебно-практическую направленность, в трёх точках в такой последовательности:

1.Проверить комплектность и работоспособность гидрометрической вертушки и установить из паспорта число оборотов m лопастного винта между сигналами (звонок или лампочка).

2.Измерить ширину в и глубину h воды в лотке, и используя их, рассчитать глубины (уровни) погружения оси верхушки под горизонт (уровень) воды, равные 0,2h; 0,6h и 0,8h и площадь w поперечного сечения лотка, равную для прямоугольной формы w=вh.

3.Закрепить вертушку на штанге сначала на уровне её погружения 0,2h

иустановить на выбранную вертикаль лопастным винтом против течения. Пропустить два — три сигнала, а затем начать отсчёт времени по секундомеру, приняв не менее пяти (или указанное преподавателем) сигналов (звонков или включений электролампочки). Включение и выключение секундомера производить по началу сигналов. Затем вертушку переставляют на следующий уровень 0,6h и все измерения повторяют.

4.Найти по числу оборотов лопастного винта в секунду по тарировочной кривой вертушки скорость течения воды (см. рис. 5).

5.Результаты измерений и расчётов свести в табл. 6.

6.Построить эпюру скоростей на вертикали и рассчитать расходы воды Q в лотке при трёхточечном и одноточечном способах измерения по форму-

ле Q=wv.

Выполнив измерения скоростей течения вертушкой в лабораторных условиях, студенты должны подготовится к проведению измерений в натурных условиях на реке.

17

Приборы и инструменты для измерения скоростей течения на реке: гидрометрическая вертушка со штангой, канаты, лодки, секундомеры, мерная лента, теодолит, нивелир.

Методика проведения и обработка результатов опытов при измерении скоростей течения вертушкой на реке. Перед началом исследований водного объекта для общего ознакомления с ним проводится предварительная рекогносцировка. Затем применительно к изучаемой теме должны быть выполнены следующие работы (подготовительные, натурные (полевые) и камеральные):

1.Выбор и разбивка гидрометрических створов — главного и вспомогательных, располагаемых на прямолинейном участке реки с параллельноструйным потоком и устойчивым руслом правильной формы, без водорослей, камней и других препятствий. Закрепление гидростворов размеренными канатами.

2.Съёмка участка местности и его описание (объём работы определяет ведущий преподаватель).

3.Промеры глубин и измерение расстояний, осуществляемые для выявления рельефа дна и имеющихся в русле реки препятствий, а также для количественной и координационной оценки элементов объекта. Измерения глубин производят по вертикалям, называемым промерными. Глубины измеряют наметками, гидрометрическими штангами, ручными лотами и эхолотами и выполняют с лодки или вброд в зависимости от ширины реки по поперечным, косым, продольным или смешанным галсам (створам).

4.Измерение скоростей течения и расчёт расходов воды (полевые и камеральные работы).

Для измерения скоростей течения воды по ширине гидроствора назначают скоростные вертикали (как правило, их стремятся совместить с промерными вертикалями), местоположение которых фиксируют расстоянием от постоянного начала, от которого им даётся порядковая нумерация.

Способы измерения классифицируют так: детальный (многоточечное измерение скоростей на большом количестве скоростных вертикалей), ос-

18

новной (трёхточечный не менее, чем на пяти скоростных вертикалях), сокращённый (одноили двухточечный) и ускоренный (применяется при детальном, основном и сокращённом способах при продолжительности измерения до 30 с).

5. Количество скоростных вертикалей для выполнения данной работы устанавливается с учётом рекомендаций и указаний ведущего занятия преподавателя . Измерение скоростей течения воды проводить пятиточечным способом с трёхкратной повторяемостью, включающим все остальные. Отработать более прочные и устойчивые квалификационные умения и навыки гидрометрических исследований. Техника измерения и расчёт скоростей течения воды гидрометрической вертушкой изложены выше для лесосплавного лотка.

6. Результаты измерений и расчётов расхода воды по четырём способам свести в табл. 7.

19

Окончание табл. 7

VII. Величины частных (элементарных) расходов, м3/с Способы:

одноточечный

двухточечный

трёхточечный

пятиточечный

Примечание. Х означает, что строка не заполняется.

По результатам и характеру измерений и расчётов гидрологических параметров реки, построить эпюры скоростей течения воды по вертикалям и поперечное сечение (живое сечение) гидроствора.

Измерение скоростей течения поплавками и расчёт скоростей течения. Поплавочный метод измерения скоростей течения воды является наиболее простым и применяется при быстроменяющихся горизонтах воды, во время ледохода, а также при малых скоростях, когда приборы не применимы.

Поплавки подразделяются на поверхностные и глубинные (см. рис. 7). Для исследований сплавных рек наиболее удобны поверхностные по-

плавки, как адекватные лесосплавным единицам.

Простейшая конструкция поверхностного поплавка представляет собой отпиленный от бревна цилиндр диаметром 10 — 20 см и высотой 5 — 6 см, окрашенный масляной краской и снабжённый для лучшей видимости флажками яркого цвета. В качестве поверхностных поплавков можно использовать бутылки, шары, куски дерева, льдины, детские кораблики и др.

Глубинные поплавки состоят из двух частей: верхней (поддерживающий поплавок — буёк) и нижней (подводный поплавок), соединённых гибкой связью .

В лабораторных условиях скорость течения воды измеряют в лесосплавном лотке, содержащем головную часть, куда поступает вода из напорного бака по подводящему трубопроводу. Расход регулируется задвижкой, установленной на нём.

Приборы и инструменты: рулетка, мерная линейка, пронумерованные бумажные поплавки, секундомер, канаты диаметром 2 — 3 мм из любого материала.

Методика проведения исследований

1.Разбить створы — главный II, вспомогательные I и III и пусковой 0

(рис. 8).

2.Измерить расстояние l между вспомогательными створами, ширину

ви глубину h в главном створе II.

20

3. Пустить поплавки в количестве от 3 до 8 поочерёдно из трёх точек (a, c, d) и зафиксировать время прохождения t между вспомогательными створами I и III. Измерить расстояние S от борта лотка до точек пересечения поплавком главного створа.

Рис. 7. Принципиальные схемы: поверхностного (а), глубинного (б) поплавков и гидрометрического шеста (в)

4. Результаты измерений скоростей течения и других параметров записать в табл. 8.

Таблица 8

Результаты измерений скоростей течения воды

расход Qф, который нужно сравнить с измеренным в лотке.

Для измерений скоростей течения воды в реке разбивают 4 нормальных (перпендикулярных к направлению течения) гидрометрических створа (см. рис. 9): пусковой, верхний вспомогательный № 1, главный № 2 и нижний