4.2. Гидравлический расчет каналов.

Гидравлический расчет каналов проектируемой оросительной системы производится для случая равномерного движе­ния жидкости в открытом русле. Как правило, форма попе­речного сечения каналов увязывается с технологией их строи­тельства и является трапецеидальной, поэтому расчет кана­лов в земляном русле ведется обычно для трапецеидальной формы. Расчет каналов дается параллельно с построением их продольных профилей.

В проекте необходимо произвести гидравлический расчет каналов, входящих в расчетную трассу, т. е. хозяйственного и участкового распределителей и временного оросителя. Ос­новным расчетным расходом является нормальный стандарт­ный расход: по нему устанавливают гидравлические и строи­тельные параметры канала. Исходными данными для гид­равлического расчета любого канала оросительной сети яв­ляются:

1) расход воды Q_{норм.стандартн.}, л/с;

2) уклон ме­стности по трассе канала I.

Кроме того, принимаются следующие показатели:

1) за­ложение откосов m;

2) коэффициент шероховатости русла ка­нала n;

3) ширина канала по дну b.

Заложение откосов m зависит от рода грунта и пропуск­ной способности канала и принимается по таблице приложе­нии СНиП II 52-74. Коэффициент шероховатости и для ка­налов в земляном русле принимается в следующих пределах:

временные оросители - 0,030;

участковые и внутрихозяйственные распределители - 0,0275;

сборные железобетонные лотки - 0,012-0,015.

Ширина канала b задается в зависимости от расхода, ка­тегории канала и вида землеройной техники. В соответствии с ГОСТом 33-32-76 для каналов внутрихозяйственной сети рекомендуется принимать типоразмеры поперечных сечений оросительных каналов в земляном русле, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Параметры поперечного сечения каналов.

Строительная глубина Нстр, м	Ширина канала по дну b, м	Заложение откосов m
Свыше 0,5 до 1,0	0,4; 0,8	1,0; 1,5
Свыше 1,0 до 2,0	0,8; 1,0; 1,5	1,0; 1,5
Свыше 2,0 до 3,0	1,5; 2,0; 2,5	1,5; 1,75

Расчетом устанавливаются: глубина воды в канале h_норм. и h_min, соответствующая нормальному и минимальному рас­ходу воды в канале; фактическая скорость воды v_факт. при пропуске нормального расхода, которая затем сравнивается с критической скоростью на размыв; фактическая скорость v_факт при Q_min., которая сравнивается с допустимой на заиление.

Расчет по нормальному расходу производится с целью определения гидравлических элементов канала, соответствую­щих нормальным условиям его работы. Расчет по мини­мальному расходу производится с целью проверки условий командования старших каналов над каналами младшего порядка и назначения мест подпорных сооружений, если это командование не везде выдерживается.

Таблица 5

Гидравлические элементы канала.

b, м	h, м	ω, м2	λ, м	√R, м2	C√R,		K, м3/c		Kфакт., м3/c
Временный ороситель.
0,4	0,1	0,055	0,76	0,26	5,085		0,3		2,57
0,4	0,2	0,255	1,48	0,41	9,87		2,5
0,4	0,3	0,575	2,2	0,50	13,55		7,79		3,25
Участковый распределитель
0,6	0,1	0,075	0,96	0,078		6,19	0,464			5,4
0,6	0,2	0,48	2,04	0,235		10,64	5,11
0,6	0,3	1,155	3,12	0,370		18,20	21,02			6,5
Хозяйственный распределитель
0,8	0,1	0,22	1,52	0,145		6,19		1,36		10,29
0,8	0,2	0,775	2,6	0,29		14,58		11,29
0,8	0,3	1,935	4,04	0,47		21,15		40,93		13,03

Приняв определенную величину b, задаемся нескольки­ми значениями h, записав их в графу 2. Например, ширину канала по дну приняли 0,8 м, последовательно задаемся зна­чениями глубины воды в данном канале 0,3; 0,4; 0,5м.

1. задаёмся шириной канала по дну и заполняем графу первую;

b = 0.4 м

b = 0.8 м

b = 0.6 м

2. задаёмся значениями глубин h

3. для каждого значения глубин рассчитывается площадь живого сечения w = (b + m*h)*h

4. определяется смоченный периметр χ = b + 2*h*√1 + m²

5. гидравлический радиус определяется по следующей формуле

R = w/χ

7. в шестую графу записываются значения c*√R (из приложения 7)

8. рассчитываем значение расходной характеристики для разной глубины заполнения канала k = w*c*√R, м³/с

9. по расчетным данным (глубина наполнения h и расходная характеристика k) строится график зависимости k = f(h).

10. вычисляем фактическую расходную характеристику ( для нормального и минимального расхода) kф = Q/ √i

Для хозяйственного распределителя:

К_факт.^норм=291,34/√0,002=13,03

К_факт.^мин=230,15/√0,002=10,29

Для участкового распределителя:

К_факт.^норм=145,53/√0,002=6,5

К_факт.^мин=114,98/√0,002=5,14

Для временного оросителя:

К_факт.^норм=72,75/√0,002=3,25

К_факт.^мин=57,47/√0,002=2,57

где I - уклон дна по трассе канала.

Пользуясь графиком зависимости К = f(h), по фактическим расходным характеристикам находим фактическую глубину воды при пропуске нормативного и минимального расходов - h_норм. и h_min,

Зная Q_норм. и Q_min, определим фактическую скорость движения воды в канале, м/с, по формуле:

ν_факт. = Q_норм. / ((b + m*h_норм.)*h_норм.)

ν_факт. =291,34/((0,8+1,5*0,18)*0,18)=0,59

Эту скорость сравниваем с критическими скоростями на размыв и заиление. Критическая скорость на размыв, м/с, может определяться по формуле С. А. Гиршкана:

ν_разм. = К*Q^0,1

ν_разм. = 0,57*0,2^0,1=0, 45

К зависит от механического состава грунта и для суглинков принимается 0,57-0,68, ν_разм. может устанавливаться по СНиПу. Для грунтов среднего и тяжелого механического состава она изменяется при глубине потока до 0,5 м в пределах 0,44-0,71 м/с.

Если ν_факт. > ν_разм., значит с таким уклоном канал проектировать нельзя во избежание размыва его сечения. В этом случае производят пересчет канала на меньший, критический уклон. Чтобы определить новый уклон I_кр., принимаем критическую скорость на размыв за фактическую (при новом уклоне)

В тоже время из уравнения расхода (Q = ω* ν) ν = Q / ω.

Отсюда ω = Q_норм.^ст. / ν_разм., м². Из уравнения живого сечения ω = (b + m*h)*h определяем величину h, м:

h = (- b ±√(b² + 4m*ω)) / 2m (21)

Зная h, определим смоченный периметр, гидравлический радиус и скоростной коэффициент С. По формуле v = C*√RI найдем при известных v, C и R новый уклон I_кр.:

I_кр. = ν ²_разм. / (C²*R) (22)

Так как уклон канала I_кр. меньше уклона местности, канал будет иметь сопрягающие сооружения в виде перепадов или быстротоков. Фактическая скорость воды в канале, соответствующая минимальному расходу воды в нем, сравнивается с допустимой скоростью на заиление. Должно выдерживаться условие:

ν_факт. ≥ ν_заил.

Критическая заиляющая скорость определяется по формуле С. Х. Абольянца:

ν_заил. = 0,3R^1/4 (м/с)

где R – гидравлический радиус,

или по формуле С. А. Гиршкана:

ν_заил. = A*Q_min^0,2 (м/с)

ν_заил. = 0,33*230,15^0,2=0,97 (м/с)

где А – коэффициент, зависящий от гидравлической крупности насосов; для каналов оросительных систем при гидравлической крупности менее 1,5 мм/с он равен 0,33.

Минимальная скорость из санитарно-гигиенических соображений не должна быть менее 0,3 м/с.