Диссертация (1141510), страница 10
Текст из файла (страница 10)
При проведении исследований,характеристики водного потока соответствовали натурным условиям. Вданной установке также исследовались кинематические параметры потокаводы в канале и гидравлическое сопротивление.2.Исследование пульсационных характеристик производилось нафизической модели канала при помощи индукционного датчика давления ДД-7410, подключенного к микропроцессорному измерителю, соединённого сцифровым запоминающим осциллографом АСК-3107, который подключалсяк компьютеру со специальным программным обеспечением.3.Приизучениипротивоэрозионногозащитногофильтрационныхматериалахарактеристикиспользоваласьустановка,выполненная из оргстекла, в состав которой входили: короб с треугольнымводосливом для измерения расхода воды, щит с пьезометрами и цилиндр, вкоторый помещался исследуемый образец.
С помощью этой установкиизучались свободная и напорная фильтрации.4.При изучении характеристик трения использовалась установка –сдвиговойлоток,соответствующийнатурнымусловиямоснованиясооружения. Целью данных опытов было определение коэффициентов трениягеомата, заполненного щебнем и битум-полимерным вяжущим с песчанымгрунтом. Исследования проводились для песчаного грунта в насыщенном иненасыщенномводойсостоянии,материалыисследовалиськаксвертикальной нагрузкой, так и без неё.5.При проведении экспериментальных серий, для уменьшениявлияния случайных и грубых ошибок на результаты вычислений, в расчётахиспользовались средние значения замеров.
Для более очевидного выявлениянеточностейвсистематическихзамерахирасчётахиспользовалосьпрограммное обеспечения для визуального отображения значений с помощьютаких инструментов, как гистограммы и графики. При расчётах обработказначений производилась в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002.75ГЛАВА 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙГЕОМАТА С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ЩЕБНЯ И БИТУМ-ПОЛИМЕРА3.1. Существующая методика и основные расчётные формулы прирасчёте гидротехнических каналов при равномерном установившемсядвиженииПри равномерном установившемся движении воды в канале рядпараметров, такие как средние скорости, скорости движения в одинаковыхточках живых сечений потока, форма сечения канала, площадь живого сеченияи глубина потока являются одинаковыми на всём протяжении канала (участкаканала) [72]. В действительности равномерного движения воды достигнутьочень трудно, даже в лабораторных условиях, поэтому движение воды впроведенных исследованиях можно считать медленно изменяющимся [71] иликвазиравномерным.Одной из главных задач гидравлики является определение величиныгидравлического сопротивления, от которого зависят основные искомыевеличины, такие как расход и средние скорости движения воды в канале.
Дляопределения расхода воды в канале используется формула Шези, даннаяформула справедлива только для равномерного установившегося движениемводы [56]: = ∙ √ ∙ ,(3.1)где: – площадь живого сечения потока это сечение, котороеперпендикулярно в каждой точке скорости к направлению течения воды; – коэффициент сопротивления трения по длине (Шези),эмпирический коэффициент, определяемый опытным путём; – гидравлический радиус; – гидравлический уклон.Гидравлический радиус – это отношение площади поперечного сеченияк смоченному периметру [43], определяется по следующей формуле:76=,(3.2)где: – смоченный периметр – это та часть периметра живого сечения,по которой вода соприкасается с границами канала, за исключениемсвободной поверхности.Гидравлический уклон — это потеря напора на единицу длины канала.Для расчёта гидравлического уклона используется формула:= − +,(3.3)где: и +1 – напор потока, соответственно в начале и в концеисследуемого участка, – длинна исследуемого участка канала.Скорость движения воды в канале с равномерным устоявшимсядвижением, рассчитывается по формуле:(3.4) = ∙ √ ∙ ,При помощи данных зависимостей решаются основные задачи прирасчёте и проектировании гидротехнических каналов, такие как определениепропускной способности и средней скорости потока, при наличиигеометрических характеристик канала, коэффициента шероховатости, уклонадна канала; определение размеров поперечного сечения, при известномуклоне, коэффициенте шероховатости и расходе; определение уклона днаканалапоизвестномурасходу,коэффициентушероховатостиигеометрических характеристик русла [41].ФранцузскийинженерАнтуанШезивсерединеXVIIIв.,проанализировав гидрологические данные с рек Сена, Гарона и др., вывелформулу для расчёта скоростей потока: = ∙ √ ∙ ,(3.5)В дальнейшем выяснилось, что коэффициент 50 использующийся вформуле, предложенной Шези, является не постоянной величиной, вследствиеэтого формула была несколько преобразована и приняла следующий вид: = ∙ √ ∙ ,(3.6)77В настоящее время зависимость называется формулой Шези (пофамилии её автора), а используемый коэффициент в формуле назваликоэффициентом Шези [116].
Коэффициент Шези зависит от сопротивлениярусла. Основные формулы для оценки гидравлического сопротивленияотносятся к случаю обтекания потоком жестких недеформируемых границ снеподвижной зернистой шероховатостью дна, они содержат постоянныйкоэффициент шероховатости как аргумент [47]. Швейцарские инженеры Е.Гангилье и В. Куттер в 1869 г., основываясь на результатах 1200 лабораторныхи натурных измерениях параметров потоков, предложили формулу дляопределения коэффициента Шези [10]:= + ⁄ + , ⁄, + ( + , ⁄) ∙ ⁄√(3.7)К формуле (3.7) была составлена таблица, с помощью которойопределялся коэффициент шероховатости, значения этих коэффициентовбыли от 0,008 до 0,056.
В 1889 г. американский инженер ирландскогопроисхождения Р. Маннинг, в честь которого и названа следующая формула,предложил рассчитывать коэффициент Шези по следующей зависимости:= ,(3.8)Поскольку зависимость (3.8) является наиболее простой для расчёта[27], и значения коэффициента, рассчитанные по ней, получаются как и позависимости (3.7), она приобрела наибольшее распространение по всему мируи используется для расчёта коэффициента Шези до настоящего времени [9].В России также распространена формула для расчёта коэффициентаШези предложенная Н.Н. Павловским:=,(3.9)Путём обработки большого количества данных исследования движенияводы, Н.Н. Павловский в 1925 г. нашел закономерность изменения показателястепени [78].
Данная формула даёт наиболее точные результаты при =0,1 … 3,0 м [112] и = 0,001 … 0,04. Для расчёта степени , в формуле (3.9)используется следующая зависимость:78(3.10) = , √ − , − , √(√ − , ),Показательстепенизависитотгидравлическогорадиусаикоэффициента шероховатости.Применение формулы Гангилье-Куттера возможно при условии >0,005, а формул Маннинга и Н.Н. Павловского возможно только присоблюдении следующего условия: =≥ ,(3.11)где: – кинематическая вязкость.В технической литературе существуют десятки формул для определениякоэффициента Шези, но выше перечислены три наиболее распространённые иуниверсальные, вследствие чего расчёт выполнялся по данным формулам.Числа Рейнольдса определялись по гидравлическому радиусу поформуле (3.11) и находились в промежутке = 91950 ÷ 155390.Гидравлический уклон находился в промежутке = 0,006 ÷ 0,024.3.2.
Методика расчёта коэффициента шероховатости "n"Дляопределениякоэффициенташероховатостинеобходимопреобразовать формулы для расчёта коэффициента Шези.Преобразование формулы Гангилье-Куттера. Применяя формулуГангилье-Куттера (3.7) для определения скорости течения потока, формулаприобретает следующий вид: = ∙ √ ∙ = + + ∙ √∙ √ ∙ ,(3.12)Используем формулу для коэффициента (3.7), в результате формула(3.12) выглядит следующим образом:= ∙ + ∙ √ + ∙ ∙ √,(3.13)Приравняв уравнение (3.13) к нулю получим: + ∙ (√√ √−= ,)− ∙ (3.14)79Из уравнения (3.14) выводится коэффициент шероховатости , конечнаяформула выглядит следующим образом:Г−К ∙ ∙ √ − ∙ √ ∙ ∙ √ − ∙ √ ∙ √=+ √(,) + ∙ ∙ ∙ (3.15)Преобразование формулы Манинга.
Для расчёта коэффициенташероховатости с использование формулы Маннинга, преобразовываемуравнение (3.6) используя уравнения (3.8):⁄⁄ ∙ √=∙ √ ∙ =,(3.16)В результате получаем:М =Преобразованиеформулы⁄ ∙ √,Н.Н.(3.17)Павловского.Преобразовавзависимость (3.6), используя формулы (3.9) и (3.10), получаем следующуюзависимость:=,+,∙√−,∙√∙(√−,)∙ √,(3.18)из формулы (3.18) выводим коэффициент шероховатости и получаем:П =,+,∙√−,√∙(√−,)∙ √,(3.19)для решения уравнения (3.19) используется метод последовательныхприближений.Путём проведения экспериментов и замеров определялись неизвестныепараметрыданныхформул,такихкакгидравлическийуклон,гидравлический радиус и среднюю скорость потока .3.3.
Методика расчёта экспериментальных данных кинематики потокаДля определения коэффициента шероховатости необходимо знатьгеометрические характеристики русла (лотка) и средние скорости теченияводы, распределённые по длине рабочего участка.Для определения гидравлического радиуса необходимо знать площадьпоперечного сечения и смоченный периметр в каждом створе. Для этого, при80помощи шпитценмасштаба и шкалы, выполненной из миллиметровой бумаги,расположеннойнанаправляющейшпитценмасштаба,измерялисьгеометрические параметры потока, такие как ширина дна и поверхностипотока.
Отметки поверхности воды и отметки дна измерялись при помощишпитценмасштаба,измерениявыполнялисьна11вертикалях,равноудалённых друг от друга. Гидравлический радиус определяется поформуле (3.2).Так как лоток имеет форму прямоугольной трапеции, то площадь живогосечения и смоченный периметр определяются по следующим формулам:= ∙ ( + ), ср(3.20)где: ℎср – средняя глубина потока в рассматриваемом сечении; – ширина поверхности потока; – ширина дна. = + ср ( + √ + ),(3.21)где: – заложение откоса, = 1.Обработка данных для получения средней глубины потока выполняласьпо следующей формуле:ср∫ ∙ = ,(3.22)Для определения средних скоростей потока измерения выполнялись впяти мерных створах на расстоянии 1 = 2150 мм,2 = 3100 мм, 3 =3800 мм, 4 = 4700 мм и 5 = 5650 мм от начала рабочего участка. Замерыместных скоростей потока выполнялись в каждом створе при помощи трубкиПито на 11 вертикалях, равноудалённых друг от друга.
Измерениявыполнялись в 6 точках на каждой вертикали. Изменение скоростей потока, вбольшей степени происходят возле дна, поэтому по мере приближения трубкиПитокповерхностиводы,расстояниямеждумернымиточкамиувеличивалось. Схема определения скоростей потока трубкой Питоизображена на Рисунок 3.1.81БI СтворII СтворIII СтворIV СтворV Створ11Iств. 11IIств. 11IIIств. 11IVств. 11Vств. 1110Iств. 10IIств. 10IIIств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
