7.4. Допустимые скорости движения воды в каналах

При расчете каналов необходимо учитывать скорости движения воды. Большие скорости потока вызывают размыв дна и откосов (берегов) грунтового канала. Для предотвращения разрушения русла канала предусматривается крепление его дна и откосов.

При проектировании каналов необходимо учитывать максимальную допустимую среднюю скорость течения при равномерном движении , при которой может происходить размыв водой дна и откосов грунтового канала.

Средняя скорость в канале, когда не будет размыва, должна быть , скорость получила название неразмывающей скорости .

Неразмывающая скорость определяется по эмпирическим формулам, полученным в результате гидравлических исследований размыва русел в лабораторных и натурных условиях.

Для каналов, проложенных в несвязанных грунтах (песчаных, песчано-гравийных и т.д.), при вычислении по рекомендации ВНИИ ВОДГЕО могут быть применены следующие формулы, м/с.

Формула Б. Студеничникова при :

. (7.18)

Формула А. Латышенкова при :

, (7.19)

где h - глубина потока, м; - средняя крупность твердых частиц грунта, м.

В табл. 7.4 приведены значения допустимых скоростей для различных грунтов при глубине воды в канале м.

Таблица 7.4 - Допустимые скорости для различных грунтов

Тип грунта	, м/с
Мелкозернистый песок	0,4
Среднезернистый песок	0,5
Крупнозернистый песок	0,65
Песчано-гравийный	0,85
Супесь среднеплотная	0,8
Суглинок плотный	0,85

При движении воды в русле поток содержит различного рода твердые мелкие частицы грунта, почвы и т.п. Эти частицы твердого материала при достаточно больших средних скоростях находятся во взвешенном состоянии. В случае уменьшения скорости потока происходит осаждение этих частиц на дно, т.е. будет происходить заиление русла.

Скорость, при которой в русле канала будут осаждаться частицы твердого материала, называется допустимой минимальной скоростью или скоростью незаиления . Скорость зависит от фракционного состава переносимых потоком твердых частиц и их формы, а также объемной концентрации частиц в потоке. Средняя скорость в канале, при которой русло не будет заиляться, должна быть .

Известна формула для определения незаиляющей скорости А. Латышенкова, м/с:

, (7.20)

где h - глубина потока в канале, м; - средняя крупность твердых частиц, м.

Формула Б. Студеничникова, м/с:

, (7.21)

где h - глубина потока, м; , - плотность материала частиц грунта и воды.

Таким образом, средняя скорость в канале должна быть в пределах

.

7.5. Равномерное движение потоков в руслах круглого замкнутого сечения

Безнапорные русла замкнутого сечения находят применение в системах водоотвода сточных, и ливневых вод (водоотводные трубы, коллекторы), в сооружениях гидротехнических, дорожных, коммунального хозяйства.

Наибольшее распространение получили трубы круглого, прямоугольного и овоидального поперечных сечений. Расчет равномерного движения потоков в руслах круглого сечения (рис. 7.5), имеет свои особенности.

Рис. 7.5. Открытый поток в русле круглого замкнутого сечения

Это прежде всего вызвано связью между наполнением русла и формой поперечного сечения. Для упрощения расчета вводится понятие степень наполнения русла: , где - глубина потока жидкости; D - размер русла замкнутого сечения.

Для водоотводных и водопропускных труб геометрические элементы живого сечения выражают через центральный угол (см. рис. 7.5)

. (7.22)

Смоченный периметр и ширина потока по свободной поверхности:

; . (7.23)

Для расчета параметров равномерного движения потоков в руслах замкнутого поперечного сечения используется относительная расходная М и относительная скоростная N характеристики:

; ,(7.24)

где , - расходные характеристики при полном наполнении сечения русла при ; К, W - расходные характеристики, соответствующие глубине h.

; .(7.25)

Площадь и смоченный периметр определяются при глубине в трубе , затем гидравлический радиус и коэффициент Шези.

После этого вычислив К и W при разных наполнениях , можно получить величины относительных характеристик М и N.

Для труб круглого замкнутого сечения, используя три безразмерных параметра (наполнение русла а и две относительные характеристики М и N), можно представить функциональную связь между этими безразмерными параметрами: и. В табл. 7.5 и 7.6 приведены относительные характеристики.

Таблица 7.5 - Значения относительных расходных характеристик

для круглых труб

а	0,0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0,1	0,021	0,026	0,031	0,036	0,042	0,049	0,056	0,063	0,071	0,079
0,2	0,088	0,097	0,100	0,116	0,126	0,!37	0,148	0,159	0,171	0,183
0,3	0,196	0,209	0,222	0,235	0,249	0,263	0,277	0„292	0,307	0,322
0,4	0,337	0,353	0,368	0,384	0,400	0,417	0,433	0,450	0,466	0,483
0,5	0,500	0,517	0,534	0,551	0,568	0,586	0,603	0,620	0,637	0,655
0,6	0,672	0,689	0,706	0,723	0,740	0,756	0,773	0,789	0,803	0,821
0,7	0,837	0,853	0,868	0,883	0,898	0,912	0,926	0,939	0,953	0,965
0,8	0,977	0,989	1,000	1,011	1,021	1,030	1,039	1,047	1,054	1,060
0,9	1,066	1,070	1,073	1,085	1,086	1,075	1,071	1,066	1,057	1,042

Таблица 7.6 - Значения относительных скоростных характеристик

для круглых труб

а	0,0	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
0,0	0,00	0,089	0,141	0,184	0,222	0,257	0,289	0,319	0,348	0,375
0,1	0,401	0,426	0,450	0,473	0,495	0,517	0,538	0,558	0,587	0,596
0,2	0,615	0,633	0,651	0,668	0,684	0,701	0,717	0,732	0,747	0,762
0,3	0,776	0,790	0,804	0,817	0,830	0,843	0,855	0,868	0,879	0,891
0,4	0,902	0,913	0,924	0,934	0,944	0,954	0,964	0,973	0,983	0,991
0,5	1,000	1,008	1,016	1,024	1,032	1,039	1,046	1,053	1,060	1,066
0,6	1,072	1,078	1,084	1,094	1,099	1,104	1,108	1,112	1,121	1,126
0,7	1,120	1,123	1,126	1,129	1,131	1,137	1,135	1,137	1,138	1,139
0,8	1,140	1,140	1,139	1,138	1,138	1,137	1,336	1,34	1,31	1,128
0,9	1,124	1,120	1,15	1,109	1,03	1,095	1,070	1,075	1,062	1,040

При некоторых наполнениях трубы расход и скорость оказываются больше, чем при полном заполнении.

Из табл. 7.5 и 7.6 видно, что максимальное значение относительной расходной характеристики соответствует наполнению, максимальное значение относительной скоростной характеристикисоответствует наполнению. Это означает, что при наполненииводоотводная труба будет пропускать в 1,08 раза больший расход, чем при полном заполнении трубы, а при наполнениискорость потока в водоотводной трубе будет больше в 1,14 раза. Также следует отметить, что при наполнениискорость потока практически такая же, как и при полном заполнении трубы. Для труб диаметроммм согласно строительным нормам наполнение обычно принимается равным, а для труб больших диаметров наполнение должно быть равным.

На рис. 7.6 представлены графики и.

Рис. 7.6. Графики функций , для трубы круглого сечения

При гидравлическом расчете необходимо знать расходную характеристику потока при полном наполнении трубы. Используя выражение для вычисления расходной характеристики(),можно получить при известном диаметре трубы следующее уравнение:

. (7.26)

Расход в водоотводной трубе согласно (7.7) и (7.24)

. (7.27)

Скоростная характеристика при полном заполнении трубы

. (7.28)

Средняя скорость в водоотводной трубе согласно (7.7) и (7.24)

. (7.29)

Значение М и N можно определить по табл. 7.5 и 7.6 или графику (см. рис. 7.6).

♦ Пример 7.3

Определить диаметр железобетонной трубы D при расходе м³/с, расчетном наполнении , уклоне дна трубы.

Определяем расходную характеристику, соответствующую равномерному движению потока в трубе:

м³/с.

При наполнении согласно табл. 7.5 относительная расходная характеристика будет равна.

В соответствии с (7.24) расходная характеристика, соответствующая движению потока полным сечением,

м³/с.

Из уравнения (7.26) можно определить диаметр водоотводной трубы

.

По табл. 7.1 находим для железобетонной трубы значение шероховатости: .

Диаметр трубы

м.

Согласно стандарту выпускаемых железобетонных труб принимаем диаметр

м.

♦ Пример 7.4

Определить глубину потока воды в асбоцементной трубе круглого сечения диаметром м при прохождении через нее расхода м³/с и уклоне трубы .

Вычисляем расходную характеристику, соответствующую равномерному движению потока в трубе:

м³/с.

Расходная характеристика, соответствующая полному заполнению трубы, приняв , согласно (7.26)

м³/с.

Относительная расходная характеристика

.

По табл. 7.5 при наполнение трубы.

Глубина воды в трубе м.