книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

Р а д и а л ь н ы й в о д о с л и в (рис. 1016) имеет вырез, очер­ ченный двумя круговыми дугами, сопрягающимися между собой посредством полуокружности диаметром 5 мм. Пропускная способ­ ность таких водосливов определяется величиной напора и радиу-г сом R круговых дуг, образующих вырез водослива. Обычно при­

меняются стандартные водосливы, очерченные радиусами 20, 30, 45 и 60 см. Наименьший напор должен быть равен 5 см, а наи­ больший рекомендуется назначать не больше 0,8 радиуса круго­ вых дуг, так как при дальнейшем увеличении напора перелива­ ющаяся струя воды на боковых участках водослива, по очертанию

Рис. 101. Схемы водосливов: параболического ( а ) , радиаль­ ного (б), САНИИРИ (е), Сутро (г).

близких к горизонтали, начинает прилипать к стенке, и режим ис­ течения становится затопленным.

П р о п о р ц и о н а л ь н ы й в о д о с л и в имеет вырез в форме, обеспечивающей в определенном диапазоне напоров почти линей­ ную зависимость между расходами и уровнями. Удобство таких водосливов состоит в том, что по величине зарегистрированного с помощью специально градуированной рейки уровня непосредст­ венно получают величину расхода воды. Наибольшее распростра­ нение получили два типа пропорциональных водосливов: водослив САНИИРИ и водослив Сутро.

200

Расход воды при напорах от 0,1 до 0,4 м определяется по фор­ муле

где а и с — параметры, зависящие от длины порога водослива; Я —

напор в сантиметрах.

Пределы измеряемых расходов от 1,8 до 700 л/с.

Водослив Сутро (рис. 101 г) имеет форму выреза, образован­ ного в нижней части прямоугольником с основанием b и высотой а,

а в верхней — двумя гиперболическими кривыми, обращенными выпуклостями навстречу друг другу.

Формула для расхода воды имеет вид

коэффициент пропорциональности, зависящий от коэффициента расхода водослива и от значений а и Ь.

Пределы измеряемых расходов от 0,5 до 260 л/с.

При значительной амплитуде колебаний расхода воды, чтобы

Порог малого водослива закладывается ниже порога большего так, чтобы при пропуске малых расходов работал только малый водослив, а большой включается автоматически при прохождении больших расходов.

Помимо постоянной водосливной установки, для измерения ма­ лых расходов применяется переносный водослив, либо устанавли­ ваемый на весь меженный период, либо используемый в качестве переносного устройства для эпизодических измерений расхода. Та­ кой водослив представляет собой железный щит с вырезом в виде трапеции или треугольника, по обеим сторонам которого укреп­ лены две рейки с миллиметровыми делениями, служащие для изме­ рения напора и правильной установки щита. Горизонтальность ре­ бра водослива проверяется по уровню воды на рейках — отсчет по обеим рейкам должен быть одинаковым.

Тонкостенные водосливы обеспечивают точное измерение рас­ хода воды при соблюдении следующих условий:

1) поток перед водосливом должен протекать прямолинейно и вся вода должна переливаться только через ребро водослива;

2) скорость течения воды непосредственно перед водосливом (называемая скоростью подхода) не должна превышать 0,25 м/с;

3)уровень воды за водосливом должен быть ниже ребра водо­

слива;

4)под струю переливающейся воды должен быть обеспечен до­ ступ воздуха;

201

5)края выреза в стенке водослива должны быть острыми, не толще 1 мм;

6)перед стенкой водослива не должно быть скоплений наносов;

7)рейка для измерения напора должна располагаться выше стенки водослива на расстоянии 3ЯмаксНулевое деление рейки должно находиться на одной высоте с ребром водослива.

Для определения расхода воды посредством водосливов требу­ ется лишь измерить напор и по соответствующей формуле вычис­ лить расход воды. Для упрощения вычислений составлены специ­ альные таблицы, в которых даны значения коэффициента расхода

т и ф ^ для прямоугольных водосливов без бокового сжатия

струи и значения удельных расходов (расходов на 1 м длины ре­ бра водослива) для трапецеидальных и прямоугольных водосливов с боковым сжатием струи. Значения расходов при заданном напоре для водосливов треугольного и криволинейных очертаний выпи­ сываются непосредственно из таблиц.

Вычисление расхода воды по таблицам производится следую­ щим образом. Для прямоугольного водослива без бокового сжатия струи по величине напора Н и высоте ребра водослива р из таб­

лицы берутся значения т и ]/r2gH h \ перемножив найденные ве­

личины, получают удельный расход воды. Чтобы получить полный

расход, нужно величину удельного расхода умножить на ширину водослива.

Для трапецеидального и прямоугольного водослива с боковым сжатием струи по величине напора из соответствующих таблиц вы­

писываются значения удельного расхода m V 2 g H 4\ Умножив зна­

чение удельного расхода на ширину водослива, получают расход воды через водослив.

Измерения с помощью водосливов практического профиля и

к форме струи, падающей с гребня незатоплеиного водослива стой­ кой стенкой. Для обеспечения прочности и устойчивости стенке водослива придается необходимая толщина.

Рассмотрим два типа водосливов практического профиля: во­ дослив Крампа и водомерный порог САНИИРИ.

В о д о с л и в К р а м п а имеет треугольный профиль порога, об­ разованный пересечением двух плоскостей — верховой с обратным уклоном 1 .2 и низовои с прямым уклоном 1 :5. Дересечение этих плоскостей образует горизонтальную линию гребня с минимальной

0,03 м, максимальный 0,15 м. Пределы измеряемых расходов со­ ставляют 3—35 л/с.

При ширине порога 6 = 6,00 м минимальный напор 0,06 м, максимальный 2,25 м. Диапазон измеряемых расходов от 170 л/с до

202

Створ для измерения напора располагается в подводящем ка­ нале на расстоянии Я£вкс//г (где р — высота порога водослива) от

подошвы сооружения.

Водослив должен работать в незатопленном режиме, коэффи­ циент затопления составляет 0,75.

где к — коэффициент, учитывающий скорость подхода.

Коэффициент расхода для напоров больше 0,06 м постоянен и

В о д о м е р н ы й п о р о г САНИИРИ (рис. 102) применяется для измерения расходов от 0,1 до 20—30 м3/с. В гидравлическом отно­ шении он представляет собой водослив практического профиля с наклонной верховой гранью, имеющей откос 1 : 3, и горизонталь-

воды от 6 л/с до 28 м3/с. Порог водослива представляет собой го­ ризонтальную прямоугольную поверхность с вертикальными вер­ ховой и низовой гранями. Перед водосливом устраивается подход­ ной канал прямоугольного сечения с горизонтальным дном и вер­ тикальными, параллельными друг другу стенками. Ширина порога водослива равняется ширине подходного канала. Уровень воды из­ меряется в подходном канале на расстоянии от порога водослива, равном 2—3 Ямакс-

Водослив должен работать в незатопленном режиме истечения, что обеспечивается при условии Ян.б ^ 0 ,8 Я в.б. Минимальный напор

203

на водосливе должен быть 0,06 м. Расход воды через водослив вычис­ ляется по формуле (65), но значение коэффициента расхода иное.

Измерения с помощью гидрометрических лотков. Гидрометри­ ческий лоток представляет собой устройство, сужающее поток, вследствие чего создается перепад уровней. Перепад уровней мо­ жет быть получен за счет бокового сужения, поднятия дна или одновременно используются оба способа.

Гидрометрический лоток обеспечивает несколько меньшую точ­ ность измерения расхода воды, чем водосливы, но имеет ряд пре-

а)

Приемный

Рис. 103. Схемы гидрометрических лотков: стандартного типа ( а ) , лотка Вентури (б) .

имуществ перед ними, основным из которых является свободный транзит донных наносов. Кроме того, лоток не нарушает естест­ венного режима стока, что особенно важно для небольших водото­ ков. Помимо естественных русел, лотки широко применяются для учета стока воды на оросительных каналах. Лотки могут быть из­ готовлены из листовой стали, дерева и железобетона.

В зависимости от размеров и типа (лотки Паршала, Вентури,

САНИИРИ) лотки могут быть использованы для измерения рас­ ходов воды от 3 л/с до 50 м3/с.

лельными стенками и дном, имеющим уклон 3 :8 в сторону тече­

204

ния потока; 3) отводящего раструба, имеющего обратный уклон

1:6 и расходящиеся стенки.

Для устройства лотка выбирается участок потока, прямолиней­

ный на протяжении 8— 10 ширин, с правильной корытообразной формой поперечного профиля и однообразным уклоном.

Гидрометрический лоток может быть: 1) с режимом свободного истечения, когда нижний бьеф не оказывает подпора; 2) с режи­ мом затопленного истечения. Характер режима определяется от­ ношением уровня нижнего бьефа Ня к уровню верхнего бьефа Нв.

Режим свободного истечения имеет место при # И< 0,8 Я В, режим затопленного истечения — при Ян^ 0,8 Яв. Отношение этих уровней называется коэффициентом затопления Я = Я Н/ЯВ. Более точное определение расхода воды возможно в случае незатопленного ре­

жима.

В лотке с режимом свободного истечения измерение уровня воды производится на расстоянии от горловины, равном 2/з длины раструба (см. рис. 103 а). Нуль отсчета при этом устанавливается

на высоте дна приемного раструба. Определение расхода воды, протекающей через такой лоток, состоит в измерении высоты уро­ вня по основному посту. Расход воды вычисляется по таблицам, приведенным в соответствующих справочниках и в «Наставлении гидрометеорологическим станциям и постам», вып. 6, ч. II, где зна­ чения расходов приведены в зависимости от уровня верхнего бьефа

иширины горловины лотка.

Влотке с режимом затопленного истечения уровень воды до­

полнительно измеряется в месте сопряжения горловины и отво­ дящего раструба. За нуль отсчета и в этом случае принимается высота дна приемного раструба.

Для определения расхода воды, протекающей через лоток с ре­ жимом затопленного истечения, нужно измерить высоту уровня по основному водпосту и по дополнительному. Расход воды при этом вычисляется следующим образом: 1) по значению уровня верх­ него бьефа определяется расход воды, соответствующий режиму свободного истечения; 2) из полученного расхода вычитается по­ правка на затопление, определяемая по таблицам в зависимости от коэффициента затопления и ширины горловины лотка.

в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Наибольшей простотой в изготовлении обладают лотки первых

двух типов.

Лотки Вентури (рис. 103 6), так же как и стандартные гидро­ метрические лотки, состоят из трех основных частей: 1) приемного

205

раструба — конфузора со сходящимися стенками, очерченными в плане по радиусу; дно раструба может быть горизонтальным или

щими наклон к оси лотка в плане 1 :6; дно его горизонтально либо имеет прямой уклон при наличии порога в горловине.

весные боковые стенки и горизонтальное дно, возвышающееся над дном канала в нижнем бьефе на величину 0,5 # макс.

Лоток может работать в режиме свободного истечения, когда уровень нижнего бьефа ниже отметки порога лотка, и в режиме

затопленного истечения, когда уровень нижнего бьефа выше по­ рога лотка. v

Определение расхода воды, протекающей через лоток с режи­ мом свободного истечения, состоит в измерении уровня в верхнем бьефе. При затопленном истечении необходимо знать уровни в верхнем и нижнем бьефах сооружения. Водомерный пост и са­ мописец уровня устанавливаются в створах, совпадающих с нача­

лом и концом лотка; нули реек устанавливаются на высоте порога лоткз. г

в н д Ф ^ У - Расх°Да воды при свободном режиме истечения имеет

где Н в уровень в верхнем бьефе; b — ширина порога лотка.

Для вычисления расхода воды может быть использована при­

При затопленном истечении в формулу расхода вводится коэффициент затопления, значение которого меньше единицы.

Объемный способ. Объемный способ применяется для измере­ ния расходов воды очень малых потоков (ключей, родников) и для тарирования гидрометрических лотков, водосливов и контрольных русел при прохождении небольших расходов. Расход воды этим

способом определяется непосредственно с помощью специального мерного сосуда.

206

Для измерения расхода воды выбирается участок потока с наи­ более суженным руслом, большими уклонами и водоупорным грун­ том дна и берегов. Поток преграждается деревянной, железной или бетонной стенкой, оборудованной одним или несколькими во­ доспусками в виде лотков, желобов, труб, через которые вода по­

Сосудами для непосредственного измерения расхода могут слу­ жить ведра, баки и мерные бассейны; размеры сосудов зависят от величины измеряемого расхода воды. Для измерения очень малых расходов (несколько миллилитров в секунду) применяется мен­ зурка или мерная литровая кружка, а для измерения больших расходов устраиваются мерные бассейны. Сосуды, употребляемые для измерения расхода воды, предварительно тарируются какойлибо мерой объема. Малые сосуды тарируются мензуркой, колбой или литровой кружкой.

В зависимости от величины расхода потока объемный способ может применяться в двух вариантах: 1) измерение времени за­ полнения мерного сосуда и 2) определение приращения уровня в мерном бассейне.

Измерение расхода воды по времени заполнения мерного со­ суда применяется при малых расходах, до 5 л/с. Способ заклю­ чается в том, что под струю воды подставляется сосуд определен­ ного объема и по секундомеру определяется время его заполнения. Для получения достаточно точных результатов измерения необ­ ходимо, чтобы время заполнения мерного сосуда было не менее 40 с. При отсутствии сосуда достаточного объема измерение произ­ водится несколько раз.

Измерение расхода воды по приращению уровня в мерном бас­ сейне практически можно применять для расходов до 20 л/с. Спо­

за определенный промежуток времени. Мерный бассейн устраи­ вается из железа или бетона объемом 1—2 м3. По результатам та­ рировки бассейна составляется тарировочная таблица, пользуясь которой, можно определить объем воды в бассейне для любого уровня наполнения. Высота уровня воды измеряется крючковой рейкой, укрепленной на стенке бассейна.

Тарирование гидрометрических устройств. На каждом гидро­ метрическом сооружении после его установки необходимо провести контрольные измерения уровней и расходов с целью выяснения возможности использования для вычисления расходов через эти сооружения стандартных формул и таблиц. Для этого производят пять—семь измерений расходов воды по всей амплитуде колебаний уровня и значения их сравнивают с расходами, вычисленными по формулам или полученными из таблиц. Если результаты отдель­ ных измерений расходов отличаются от теоретических их величин,

207

полученных по формулам пли таблицам, больше чем на 5%, то сооружение должно быть протарировано.

Тарирование заключается в измерении расходов воды при раз­ личных уровнях (напорах) с целью установления постоянной зави­ симости между расходом и уровнем Q = f (Я), которая использу­

ется для вычисления стока воды через сооружение.

Необходимость тарирования лотков и водосливов при наличии формул и таблиц для вычисления расходов воды через эти устрой­ ства определяется тем, что под влиянием местных условий (раз­ личной шероховатости поверхностей, условий подхода и сжатия струи, тщательности заточки фаски водосливного щита и т. д.) ис­ пользование приведенных формул и таблиц может дать существен­ ные ошибки, особенно при малых напорах.

Тарирование контрольных русел и расходомеров, пропускающих расход более 1 м3/с, производится вертушкой путем измерения ско­ ростей течения точечным способом на нескольких вертикалях гид­ рометрического створа. При малых напорах лотки и водосливы та­ рируются объемным способом.

Если определение расхода воды вертушкой производится при неустойчивом уровне, то для учета изменения гидравлических эле­ ментов потока измерение скорости на каждой вертикали нужно производить несколько раз (при разных уровнях) и в целях со­ кращения времени наблюдений уменьшить продолжительность вы­ держки в точке до 30—35 с.

Обработка расхода в этом случае производится следующим об­ разом. Для каждого измерения вычисляются элементарные рас­ ходы воды на вертикалях q = vcvh и отдельно для каждой скорост­

ного расхода и для разных уровней строятся эпюры элементарных расходов по ширине реки. Планиметрированием эпюр элементар­ ных расходов определяют значения расходов для принятых уровней.

В результате проведенных тарировок для каждого сооружения строят кривую зависимости расходов от уровней Q = f (Я) и для

практического пользования составляют расчетную таблицу, содер­ жащую значения расходов через каждые 0,5 см уровня.

Установленную зависимость Q = f (Я) необходимо периодически

проверять путем проведения контрольных тарировок. Если условия протекания потока остаются прежними и в конструкции сооруже­ ния не произошло изменений, то повторное тарирование контроль­ ных русел производится один раз в 5— 10 лет. Гидрологические расходомеры тарируются ежегодно, так как шероховатость дна лотков и водосливного щита не остается постоянной, что обуслов­ ливает нарушение зависимости Q =f (Я).

§ 61. Измерение расхода воды способом смешения

Способ смешения применяется главным образом на горных ре­ ках, на которых вследствие бурного течения и каменистого русла

208