автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Пропускная способность простых открытых русел

РГ6 Гейдаре твешшй Комитет Российской Федерации 2 У ИОН '¡Ь^З по жсшемУ образованию

Российский Университет Дружбы Народов УДК На правах рукописи

ГАРАНИНА Екатерина Викторовна

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРОСТЫХ ОШЫШХ РУСЕЛ 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена на кафедре гидравлики и гидротехнических сооружений Российского Университета Друкбы Народов

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Е.К.Рабкова

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Д.В.Штеренлихт,

кандидат технических наук, доцент А.В.Шахов

Ведущая организация - Производственное Объединение

"СОВИНТЕРВОД"

Защита диссертации состоятся я 7 "^¿«Л^/Н 1993 г. б 7130 часов на заседании специализированного совета К 053.22.21 в Российском Университете Друкбы Народов по адресу: 117923, ГСП-1. Москва, уд. Ордконшщдзе, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке. Российского Университета Дружбы Народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо- Маклая, д. б .

Автореферат разослан п 5~ п 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент В.К.Румянцев

ОНЦАЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка вопроса и актуальность исследований» Вопросы гидравлического расчета открытых каналов в деформируемом русле при их проектировании имеют большое научное и технико-экономическое значение.

Основной задачей при проектировании каналов является обеспечение в период эксплуатации заданных параметров каналов, их сохранность и долговечность как гидротехнических сооружений с заданными проектными характеристиками русла и пропускной способности.

В практике проектирования каналов в земляном русле расчет размеров поперечного сечения и уклона принято решать путем установления некоторой нормативной (расчетной.) скорости, посредством которой с использованием формулы Шезя определяют необходимую площадь поперечного сечения, обеспечивающую заданную пропускную способность русла.

Мезду тем, натурные данные по построенным каналам показывают, что при эксплуатации происходит деформация ложа канала, изменяется форма поперечного сечения, меняется уклон, что приводит к нарушению проектной пропускной способности. Это говорит о том, что в вопросе гидравлического расчета канала необходимо основываться не только на формуле Шеэи, оценивающей среднюю скорость всего потока, но и учитывать закономерность формирования скоростного поля в поперечной сечении русла, поскольку именно местные скоростные характеристики потока определяют его воздействие на русло а формирование таких гидродинамических условий, при которых обеспечивается стабильность формы русла и его пропускная способность.

Несмотря на значительный объем научных исследований в области кинематики потока и турбулентности, в оценке осредвенных местных скоростей и их распределения по глубине и ширине потока, вопрос об условии стабильности формы русла и оценке действительной пропускной способности не полностью отвечает запросам науки и практики.

Современные метода расчета и рекомендации по оценке распределения местных скоростей и определения пропускной способности исходят из предпосылки активного динамического взаимодействия медцу отдельными вертикальными слоями потока из-за малой величины поперечной составляющей местной скорости, так называемой скорости вторичных течений, которая по данным некоторых учешх составляет всего 2-3$ от продольной скорости. Однако это обстоя-

тедьстЕО ве мохет быть основанием для неучета наличия поперечная; вихревых образована! б турбулентном потоке, что было подтверждено исследованиями..

Вихревые турбулентные образования способствуют поперечному обмену частицами жидкости, в процессе которого происходит взаимная передача запасами кинетической энергия, что в той или иной мере должно влиять на формирование аначений местных осредненвых продольных скоростей, т.е. определять характер распределения мастных скоростей в поперечном сечении потока.

Правильная оценка значений местных осреднениях скоростей позволит решить вопрос о проектировании устойчивых к деформациям форм русел иг что особенно вамо, обеспечит оценку действительной пропускной способности канала, которая определяется для данного русла кивематагаеекими характеристиками потока»

Поэтому исследование скоростной структуры потока и условий формирования пропускной способности является важной научной задачей, актуальной пра проектировании каналов в различных конкретных условиях.

Цель работы. Целью диссертационной работы является:

а) Изучение современных подходов в оценке распределения местных осредненвых скоростей по глубине и ширине потока и методов определения пропускной способности.

б) Оценка степени достоверности существующих подходов и методов расчета на основе сравнения с имевшимися в научной литературе лабораторными, и натурными данными.

в) Исследование возможных путей использования имеющихся зависимостей и методов расчета для оценки истинного распределения местных скоростей и пропускной, способности русла.

г) Разработка рекомендаций к расчету пропускной способности каналов на основе оценки кинематической структуры потока.

Основные задачи исследования определились необходимостью детального рассмотрения вопросов, связанных с решением поставленной цели исследования.

I. Да натурным и экспериментальная исследованиям, которые представлены в современной литературе, выполнить сравнительные расчеты до распределению местных скоростей в сечении потока по существующим зависимостям для оценки степени их достоверности.

2. Лслользуя эти же данные по измеренным кинематическим характеристикам, оценить расчетную пропускную способность открытых русел по методам, предложенным в настоящее время различными исследователями.

3. Провести экспериментальные исследования ио распределению местных скоростей в трапецеидальных руслах и пропускной способности б зависимости от различных геометрических и гидравлических характеристик.

4. Сравнить полученные данные исследований с существующим методами и внести необходимые коррективы е их зависимости для получения расчетом достоверных значений пропускной способности открытых русел.

5. На основе данных выполненных исследований составить рекомендации по оценке средних по ширине потока скоростей и определению пропускной способности простых открытых русел.

Научная новизна работы. В диссертации впервые проведены обобщающие исследования по оценке различных зависимостей и методов по определению распределения местных скоростей по сечению потока и пропускной способности русла, используя фактичесш! измеренные данные по натурным и экспериментальным объектам с различными мор-фометрическиот и гидравлическими характеристиками. В результате были получены новые рекомендации по определению распределения местных скоростей по глубине и ширине потока, являющиеся основой для оценки действительной пропускной способности простых открытых русел. В частности, было доказано, что в трапецеидальных руслах наиболее точно закономерность распределения местных скоростей по глубине и шрине потока описывается степенной формулой. Для ее использования при расчетах каналов впервые получены аналитические и графические зависимости по определению значения показателя степени в зтой формуле в зависимости от полонения вертикали в поперечном сечении и шероховатости русла.

Достоверность основных результатов и выводов диссертации вытекают из значительного объема привлеченных к решению поставленной цели исследований, которые нашш полное подтверждение данными экспериментальных исследований автора, а также высокой точности полученных зависимостей.

Практическая ценность работы. Практическая ценность результатов исследования заключается в том, что используя полученные

зависимости, мокно при проектировании каналов рассчитать средние скорости на каздой вертикали по шгрине канала и проверить условия устойчивости принятой формы русла ( отсутствие деформаций на откосах) , а такяе определить действительную пропускную способность. На гкдроыетеостанцнях, используя полученные рекомендации, возможно достаточно просто определить расходы воды в створах, измерив поверхностные скорости по ширине русла и площадь поперечного сечения, что значительно увеличивает точность оценки расхода воды и упрощает процесс его измерений.

Апробация работы. ¿Натераалн диссертации докладывались на ХХУТП и XXIX конференциях профессорско-преподавательского состава инненерного факультета РУДВ (Москва 1952, 1993 г.г.) .

Публикации. Яо те;у;о диссертационной работы опубликована I работа, I работа - сдана к изданий.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литература, насчитывающего 119 наименований, б ток числе 10 иностранных авторов. Работа излояена на 181 страницах машинописного текста, в том числе 22 таблица и 50 хшсункоа.

СОЛДЖ^АШШ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теми диссертации, ее основная цель и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, дана информация об объеме работа.

В первой главе представлена исторический обзор и анализ современного подхода к оценке кинематической и турбулентной структуры потока в открытых руслах ,каналах а реках,1 , осреднениях местных скоростей л средних скоростей на вертикалях по ширине русла, определяющих его пропускную способность, а также подробно проанализированы имеющиеся в настоящее время в литературе методу расчета пропускной способности.

Рассмотрены научные исследования и работы Н.Н.Павловского, ;Д.А.Великанова, А.Л..Колногорова, А.Д.Рейнольдса, Д.Л.Гриввадьда, В.И.Гончарова, Д.В.Штерендихта, В.С.Аятунина, Ф.Форгепыера, В.Т. Чоу, Е.С.Лелявского, А.Л.Лосиевского, ¿{.^.Богдановича, Л.Тепак-са, й.А.Ыерешсова, Г.В.Железнякова, Г.Ц.Скребкова, Зндека, В.П. Рогуновича, Х.М.Паса и др. исследователей, в той числе работы ученых из Японии, Индии и Китая» 4

Анализ выполненных ранее исследований и предложенных зависимостей по оценке местных скоростей по эллиптическому, логарифмическому, параболическому и степенному законам распределения показал, что эти зависимости не подтверждены широкой сравнительной оценкой с измеренными значениями местных скоростей и не нашли должного использования в практической инженерной деятельности. Некоторые исследователи отдают предпочтение логарифмическому закону, другие - параболическому и пр. Но все эти зависимости получены из рассмотрения движения плоского широго потока, при котором скорости по ширине одинаковы. Наибольшее распространение для средней скорости потока получила формула Шези, которую также используют для определения средней скорости Ш на вертикали по ширине русла с глубиной .

Рассмотрение турбулентных; свойств потока применительно к опенке распределения осредненных местных скоростей по глубине и ширине потока показывает, что турбулентные вихревые образования, действующие в сечении потока, обуславливают постоянный взаимообмен количеством движения между отдельными частицами потока и активно влияют на формирование шля скоростей, что подтверждается выполненными исследованиями (Рогунович, Богданович, японские исследования).

Методы расчета пропускной способности, разработанные И.А.Ше-ренковым, Г.З.Шелезняковым, Г.П.Скребковым, основываются на использовании формулы Шези для каждой вертикали. Однако учитывая некоторую некорректность ее использования, Щеренковым в .формулу пропускной способности вводится поправочный коэффициент на форму русла, а Йелезняковым - соответственно,параметр, учитывающий изменения глубин по ширине русла. Но в обоих случаях схемы расчета основываются на рассмотрении потока как движения отдельных струй без учета поперечного взаимодействия частиц жидкости в вертикальных плоскостях струек, которое из-за разности скоростей (особенно на откосах русла) приводит к возникновению касательных: турбулентных поперечных напряжений, формирующих скоростное поле потока и определяющих пропускную способность русла.

Следовательно, решение задачи о пропускной способности открытых русел тесно связано с изучением и сравнительной оценкой данных непосредственных измерений в натуре и на моделях закономерностей распределения осредненных местных скоростей по глубине штока и средних скоростей на вертикалях по ширине русла и пропускной способности с существующими расчетными зависимостями.

■ Во второй главе на основе независимых натурных и экспериментальных данных, заимствованных из различных литературных источников (всего 30 данных: СКК, ЗКК и КК каналы, по рекам России и ¡¿сл давни, по исследованиям японских ученых, по данным экспериментов РУДН и т.д.) был проведен сравнительный анализ пропускной способности, рассчитанной по рекомендациям И.А.Шеренкова (с учетом коэ^ фиииента Формы) и Г. З.Шелезнякова (с учетом параметра глубин), с измеренными расходами воды. В работе представлены морфоматрически гидравлические и скоростные характеристики рассматриваемых объектов, по которым рассчитывалась пропускная способность; их основные характеристики изменяются в широком диапазоне: расходы воды О«*- 0,00225-35224 м^/с, относительные ширины русел р ~ 2-90, глубины А= 0,039-15,5 м, заложение откосов М- 0,75-7,0, коэффициенты шероховатости Н - 0,01-0,033.

Расчеты показали, что определение пропускной способности с ис пользованием формулы Шези на вертикалях дает ошибочные значения в сторону завышения расхода на 15-30 % по сравнению с расходами, оп ределенными по формуле Шези для всего потока.

Расчеты пропускной способности по методу Г.З.Железнккова с ис пользованием параметра в формуле Шези для вертикалей, учитывающего изменение глубины штока по ширине русла, не дали желаемого результата: увеличился разрыв с расходом, рассчитанным по зависимости Шези для всего потока, до 23-36 %.

Предложение Шеренкова по учету формы русла через коэффициент гТюрмы Кф при определении пропускной способности с использованием Формулы Шези для вертикали обеспечивает значение пропускной способности, близкой к расчетной по Шези для всего потока, однако за кономерность распределения средних скоростей на вертикалях по ширине русла не соответствует истинной закономерности по результата! непосредственных измерений скоростей в поперечном сечении потока.

Изложенные выводы иллюстрируются графиками на рис. I, где показаны соответствующие расчетные данные соотношений расходов, рассчитанных по различным методам, с расходом, определенным по Шези для всего потока в зависимости от величины заложения откоса П1 и относительной ширины русла ]& . Из графиков видно, что эти соотношения не зависят от перечисленных параметров. По данным сравнител! ных расчетов был сделан вывод, что для оценки истинной пропускной способности открытых простых русел решение надо искать в определении распределения местных скоростей в поперечном сечении русла, к< торое формируется турбулентностью потока в зависимости от характе-6

ристики русла.

Для этой цели были выполнены специальные экспериментальные исследования.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований автора по рапределению местных осреднениях скоростей в потоке.

Опытн проводились в зеркальном лотке, шириной 0,6 м и длиной 15,0 м. 3 лоток укладывались опытные участки каналов трапецеидальной формы, рабочей длиной 3,5 м; обеспечение параллелеет-руйного движения на опытном участке осуществлялось подходными участками, длиной 4,5 м. Опыты по измерению гидравлических и скоростных характеристик проводились при расходах ¿?„= 2,25-15,0 л/с, глубинах h = 4,7-14 см, уклонах С7= 0,001;0,002, шероховатости стенок русла Н= 0,015; 0,017; 0,02; 0,023 ; 0,027 и относительных ширинах р~ 3,4-7,29. Уклоны водной поверхности измерялись стандартной мерной иглой усовершенствованного типа, при помощи которой визуализация момента касания поверхности вода заменена фиксацией микроамперметра, включенного в электрическую цепь. Скорости в различных точках потока измерялись гидрометрической цифровой модернизированной микровертушкой "ШКР0-0Г' с горизонтальной осью вращения лопастного винта диаметром 0,015 м. Расходы воды измерялись по треугольному водосливу с тонкой стенкой, протарированному по Формуле Томсона. Всего было проведено 25 опытов.

Точность измерения характеристик: глубин воды - 0,4-1,05 расхода - 0,2-0,4 %, скорости - 2,2-3,7 %,

Данные измерения осреднении* местных: скоростей обрабатывались в виде эпюр местных скоростей на вертикалях по ширине русла в абсолютных значениях, а затем в безразмерных величинах для возможности сравнения данных опытов. Нормировка глубин производилась через отношение у /h( , где у - положение точки измерения ст дна при глубине на вертикали hé_, и местных скоростей через среднюю скорость Ш и максимальную ¿«»-на вертикали (U f Q¿ , U fОто*) >

Б качестве примера на рис. 2 представлены эпюры местных скоростей на вертикалях по ширине русла и распределения местных скоростей в изотахах при различных условиях проведения опыта.

Анализ эпюр скоростей, измеренных при различных условиях,показал, что изменение глубины потока, Форш русла, уклона водной поверхности и шероховатости стенок не отражается хоординально на ?юрме эпюр распределения скоростей; местнне скорости в сечении

потоке шло изменяются по глубине и ширине русла, что подт-верндается значениями скоростей, приведенных на ряс. 2.

Сопоставление значений безразмерных эпюр местных скоростей по глубяне на вертикалях для различных опвтсв доказало, что в дриурезной части потока на откосах русла здюры более выравнен^, чей в центральной области: относительное изменение скоростей до глубине на откосах составило 1,25 раза, а на оси русла соответственно - 1,55 раза. Кроме того» данные сопоставления показали, что при повышенной шероховатости стенок более существенно уменьшаются придонные скорости и увеличиваются поверхностные.

Но данным измеренных местных скоростей пропускная способность русла определялась по формуле: ^ к _

¿2 ^JÙihbdl , где Ût^fiJÙidk

Расчетные значения пропускной способности для всех опытов определялись по методу Железяянова и с использованием формулы Шези на каждой вертикали по зависимостям:

Далее находились соотношения расходов Q„ tOt > $>/ Q* \ Qn/Q, ■> в которых Qn - расход всего потока, рассчитанный по формуле:

На ряс. 3 показаны графики указанных соотношений при различных м и fi , из которых видно, что используемые метода расчета пропускной способности с определением средней скорости по Шези на каждой вертикали дают завышение значения расхода' по сравнен!® с Qn на 14-28$, а по методу Келезнякова на 23-34&; намеренный расход превышает расход потока до Шезя "на 5-10%.

Сравнение полученных данных по нашим опвтам с натурными и экспериментальными, ранее лыполненкади, данными .см. рис. I и 3» подтвердило вывода, сделанные при их анализе: существующие метода расчета расхода не соответствуют действительной пропускной способности. В связи с этим, представилось необходимым детально проанализировать измеренные в экспериментах скоростные характеристики потока при различных условиях его двааеняя и внести соответствующие корректива для определения расчетом действительной пропускной способности открытых простых русел»

В четвертой главе на основе опытных давних по намеренным расходам вода к местным скоростям по поперечному сеченшо потока были разработана рекомендации по определению действительной пропус-8

кнок способности простых открытых русел (каналов и одкорукавных рек ) , используя основные расчетные зависимости гидравлики. В разработке рекомендаций использовались такхе фактические натурные и экспериментальные данные.из литературных источников; всего было использовано 55 данных.

Шше отмечалось, что пропускная способность определяется дактическ&м распределением местных скоростей в сечении потока, которые формируются под воздействием различных факторов (турбулентность, шероховатость, форма русла и пр.) движения потека. Чтобы выяснить какой закон распределения является определяющим в конкретных условиях движения потока, были выполнены расчеты местных скоростей по глубине потока на вертикалях по логарифмическому, параболическому и степенному законам распределения. Расчеты пс всем трем формулам выполнялись при логарифшше от глубины положения точки относительно осредненной линии дна, которая принималась за плоскость сравнения на кандой вертикали. Расчетаые значения скоростей сопоставлялись с измеренными; были также рассчитаны средние скорости на вертикалях по формуле Ыези, средние скорости с использованием эпюр расаределензя по перечисленным выше формулам, средние скорости на вертикалях по данным измерений з опытах.

Результаты сопоставления расчетных характеристик с измеренными представлены на рис. 4 в вцце эпюр скоростей. Из их рассмотрения следует, что значения осредненных местных скоростей, рассчитанные по параболическому и логарифмическому законам распределения, не отвечают измеренным. Это несоответствие для скоростей в откосной части русла выражается в занижении их значений в придонной области ва 30-50%, а на оси потока - на 20% по сравнению с измеренными. Следовательно, использование этих законов распределения скоростей в оценке пропускной способности русла приведет к ее значительному уменьшении. Кроме того, заниженные значения расчетных скоростей по сравнению с (Тактически измеренными искажают истинную скоростную карчину, необходимую для правильной оценки степени устойчивости русла каналов ( или транспорта наносов в реках), особенно в откосной части. Сопоставление значенш: средних скоростей на Еертякадях, рассчитанных по формуле Ьези с использованием локального гидравлического радиуса, с скоростями, рассчитанных по измерениям местных осредненных скоростей, такае показало их несоответствие; причем, в осевой части русла расчетные скорости по ые-

зи оказались на 25-3® больше измеренных, а на откосах на 20-35$ меньше измеренных. Поэтому использование формулы шези для определения средней скорости на вертикалях ошибочно и так--¿е не обеспечивает действительного значения пропускиой способности, что подтверждается данными, показанными на рис. 3 б.

Мекду тем, сопоставление показало достаточно близкое совпадение значений измеренных скоростей и рассчитанных по степенному закону распределения ( рис. 4 ) :

Это говорит о том, что в расчетах эшор распределения осредненных местных скоростей и пропускной способности открытых русел наиболее целесообраано принимать степенной зйкон распределения.

Расчеты скоростей на всех вертикалях выполнялись при постоянном показателе степени Х/К=Х/7; но сопоставления с измеренными в опытах показывают, что если в центральной части русла скорости практически совпадает с измеренными, то в откосной зоне они отклоняются на 5-8$ в сторону занижения скорости от измеренных. Это указывает на то, что в откосной зоне русла, где влияние шероховатости на интенсивность турбулентности более активно, чем на участках с большими глубинами, происходит более значительное относительное выравнивание местных скоростей по глубине, чем это описывается формулой со степенью 1/7. данное обстоятельство потребовало оценки показателей степени для кавдой вертикали в целях уточнения значений скоростей по степенному закону для определения пропускной способности открытых русел.

Значения показателей степени были уточнены соответствующим расчетами с привлечением данных наших экспериментов и данных из литературных источников (всего 39 данных), характеризующихся еле-дующими параметрами: 6г« =0,00225-2933 м/с; Ке=5,5-10~6'10;/?7=Д?5-6; /7=ф1-ф288. Значительный диапазон характеристик дает основание на объективную оценку значений степени 1/К; оказалось, что показатель степени изменяется от 1/6 до 1/12 в зависимости от положения вертикали по ширине русла, причем, наименьшие значения степени 1/10-1/12 относятся к приуреаной части потока(рис. 5) .

Расчеты пропускной способности с использованием степенной формулы распределения местных скоростей с уточненными значениями степени показали, что пропускная способность русел имеет небольшие отклонения от фактически измеренной, всего на±3~5?£( рис.6).

Как известно, в распределении местных скоростей ваиным Сак-тором является турбулентность и наличие вихревых образований, определяющих активный обмен запасами кинетической энергии • ГО

между отдельными элементами жидкости. Однако учесть этот йакт в формулах распределения местных скоростей не представляется возможным. Зависимость степенного закона распределения скоростей, которая достаточно точно описывает реальные значения местных скоростей в турбулентном потоке, отражает лишь следствие воздействия поперечных турбулентных вихрей на выравнивание местных скоростей в поперечном сечении потека в зависимости от конкретных условий протекания потока.

Для установления такой зависимости были построены графики 1/К= /(£е); 1/К= /(Л7>; Г/Н=/(/7) относительно

положения вертикали от уреза воды по ширине русла ( ^/В). Графики показателя степени Г/К от Не, т к р не устанавливают их взаимосвязи (таблицы расчета и графики представлены в диссертации); следовательно, эти параметры в явном виде не влияют на закономерность распределения местных осредненных скоростей по глубине потока. Связь показателя степени была установлена только с коэффициентом шероховатости ложа русла П , представленная на рис. 5, из которого видно, что значения показателя степени увеличиваются для вертикалей на откосах от 1/12 до 1/8,5, в осевой части русла - от 1/8,5 до 1/6 в зависимости от /7 , т.е. существует тесная езязь 1/К= / ( /7 ; ^¿/3).

Для получения математического описания зависимости показателя степени от п и &/3 был использован интерполяционный многочлен Лагранжа, который применяется, главным образом тогда, когда относительно определенной функции (1/К) известны только дискретные значения (на вертикалях ¿¿/3). 3 результате расчета интерполяционного многочлена Лагранжа получены Формулы для определения показателя степени 1/К= ¡^ ( п ; &-'/%) (ниже приведены только некоторые из них):

при И = 0,015-0,017

1/К» 1б,63(^)5- 31,22(-§")4+ 22,72(^-)3- 8,1781,56(4); (5)

при П = 0,022-0.023

1/К= 15("|-)5- 27,92(4")4+ гГ.Гб^)3- 8,17(-|-)2+1,66(З:); (6)

при п = 0,027

1/К= П,7(-#)5- 24.21(-^)4+ 20,6(^)3- 8,0?(-£)2+ 1,8(£). (?)

Для определения 1/К моете также использовать графики на рис.7 Проверочные расчеты Г/К по приведенным зависимостям показали, что максимальная величина отклонения составляет +5 % (см. рис.8). )Т

Использование степенного закона распределения для оценки ос-редненных местных скоростей требует установления значения максимальной (поверхностной) скорости на каждой вертикали от П и А/В. Была установлена графическая зависимость безразмерной максимальной скорости, нормированной по средней скорости потока, в зависимости от определяющих факторов, т.е. ( Утм/тГ = у^ (/7 ;&/3)), которая дает возможность оценки параметра пропорциональности М для установления расчетной поверхностной скорости на каждой вертикали: и„а = Ы где - М определяется по данным таблицы I.

Таблица!

Коэффициент Поправочный параметр М= Ы

шероховатости, п 0,1 8 0,2 В 0,3 в 0,4 В 0,5 В

0,01 0,87-0,89 1,0 1,08-1,11 1,11 1,12

0,015-0,017 0,84-0,86 1,03 1,12 1,14 Г, 15

0,02-0,023 0,82 1,10 1,15 1,18 1,20

0,027 0,73 1,13 Г,21 1,23 1,25

Поскольку в проектной практике широко применяется формула Иези на вертикалях для описания распределения средних скоростей по ширине русла, то используя фактические данные (по 39 объектам) были определены соотношения средних скоростей на вертикалях по

/ / / /7 С7Ы

Шези и по степенной зависимости, т.е. П = /Ш • Тогда, истинное значение расчетной средней скорости на вертикали определяется по и? = 1/П-& . Значения поправочного параметра П снимаются с графиков рис. 9.

Полученные в результате исследований рекомендации для оценки истинного распределения местных скоростей и их величин через степенную зависимость с соответствующим показателем степени или через зависимость Шези на вертикали с учетом поправочного параметра П, дают возможность, используя обычную гидравлическую зависимость для расхода О , определить действительную пропускную способ-

ность русла по следующим формулам:

& ^ с 8 )

rrú

h& dé ^)

Для проперки полученных рекомендаций в диссертации приведен пример расчета канала размером: £=10 m,Ü7 = 0,0004, т -1,5, ^ ¡1= 1,63 к, W = 0,025. Заданный расход О - 20 м/с. Расчета по обеим формулам дали близкое значение средних скоростей на вертикалях и, соответственно, значения пропускной способности: Q1~ 13,8 м/с, Ог - 19,2 ц/'с, близкие к заданному расходу» Использование формулы Вези для зсего потока дает расход Qa =19 м/'с, а с использованием формулы Ыези на вертикалях Q* - 23,5 м/с. Тагам образом, разработанные рекомендации отвечают поставленной цели диссертационной работы.

Основные виводы до диссертации. На основе анализа литературных данных о распределении местных скоростей по глубине потока и определении пропускной способности и сопоставления с данными непосредственных измерений на экспериментальных и натурных объектах, можно сделать следующие основные выводы:

1. По имеющимся в настоящее вреда в научной литературе рекомендациям л расчетным зависимостям обобщена данные по многочисленным объектам, которые позволили оценить степень достоверности расчетов по распределению местных ссредненных скоростей по глубине потока и среднах скоростей на вертикалях по ширине русла, определяющих его пропускную способность.

2. Подтвердились высказывания ученых, что шормула Мези, применяемая в расчетах средних скоростей на вертикалях русла, не лопет быть использована в качестве основной характеристики для оценки распределения скоростей по айране русла и его пропускной способности. В связи с птц;;: обстоятельством, предлоге к ни е некоторые поправки (,рц) в формулу Шези для вертлкалм, учитывающие ¡¿ор«у русла 1/77, р ) иди изменение глубины ( hi) , однако не обеспечивают достоверность, расчетных значений среднах скоростей на вертикалях и пропускной способности русла; расхоадеяая с измеренный« змрактерзстикама составляют I5-GS,ü.

3. Исследование такого несоответствия привело к необходимости изучения истинного закона распределения местных скоростей по глубине потока, которое привело к выводу, что в трапецеидальных руслах местные *осредненкые ) скорости распределяется по степенно^ закону,

4. Значение показателя степени 1Д{, по результатам исследо-

13

ваний,не зависит непосредственно от £е , Ш , р , а определяется положением вертикали относительно уреза воды л шероховатостью русла, т.е. 1/К В; Л7) .

5. Использование данных непосредственных измерений, выполненных на экспериментальных и натурных объектах различными авторани, позволило установить графическую связь зависимости

1/К &/В;/7) , а затем, с использованием интерполяционного многочлена Лаграняа - аналитические расчетные зависимости для определения показателя степени.

6. Установление взаимосвязи отношения максимальной скорости

( поверхностной ) на вертикалях по ширине русла со средней скоростью потока от этих не параметров, т.е. ¿/«и»./ тУ =/(&/3;/"7), позволяет использовать степенной закон распределения для определения пропускной способности каналов и однорукавных рек.

7. Использование формулы Шези для вертикали при определении пропускной способности русла возможно только при учете поправочного параметра П, для оценки которого по данным фактических измерений на 39 объектах получена графическая зависимость:

п /0Г)-1 Ф/ЪП).

8. Расчеты средней скорости на вертикали или для всего потока при определении пропускной способности, выполненные с учетом коэффициента Шези С по формуле Н.Н.Павловского для показателя степени "у" при гидравлическом радиусе, показали, что использование этой зависимости значительно занижает расчетную величину расхода ( на 15-25% ; по сравнению с измеренным, что дает основание рекомендовать в расчетах по Шези использовать формулу Маннинга (у = 1/6 )ч вне зависимости от величины гидравлического радиуса.

3. Оценка пропускной способности открытых простых русел по формуле гидравлики = иГгГ с учетом разработанных.рекомендаций по определению истинного распределения местных скоростей по поперечному сечению русла ( до которому оценивается средняя скорость всего потока тТ) дает высокую точность в пределах 3-5 % от измеренной.

Основные выводы по диссертационной работе опубликованы в статье: Гаранина Е.Б., РаОкова Е.К. Влияние кинематических характеристик потока на пропускную способность русла. -М., 1993 - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.10.93, № 269?. 14

43S

0,92 0,90.

о^г

9 it

о,т.

W-0,12, QiO. Q7Î.

q7i

OM

Q7

a,

'»/оГ

©

--JETOS ®

V—г—у

! О, ' "

'-/в;

6 W té 24

Â

SO Af "í'U

ga

L s

9

o

H

• , nt=

S- iits' ® - Л7 = 2, з> O - trl= 2¿r

X- /77=3.o V- rrr= g,a

4- ^f--,

QÍL___!____il

Cri.

т.

0,700.66. алг

ö t'f 16 г* га за з* ss 3i w

So

--¡,r

9 [I

®_Tí__IL

' ® -, ;¡ 00 ! !

Ü *

i;

---Ii* ^

I ! I i

' « Й-. «...¿p.. 35 . .32 ■ SS ;¡4o ' 30

зшиюзвносая-соотношений-раоходов Q^ü,!^ 'ш*даншас 01/77 а / по наВДЕНм и лабораторным шгаеротур-

15

i®

о

Опыт «' 3 («= 0,(Л5,Л = Ю си!

Опыт № И ( /7= и, «¿3, Ь = В см)

"к °-51А

Н1 ояв оз1

цун ог'с

Рис. '¿. Эпюры распределения оередненных местных скоростей по глубине на вертикалях и в изотахах.

ч<а

ъм

о,а

£>,% ол

[ЛМ 0,9! 0,66 О,и.

О,К О.9

ш

0,7X

О,К Оа

ТБ

з 7Г

у

—

1 & 3

Рис. 3 а,б,в

4

«

» 4 »

У Л

' "''ЛУ *, < К . *

а)

5)

в)

С(о- сбп СпГ^ к

ОГ- 4

ЦдАс&нме ойогначениз • -

х-

>4

Графики зависимости соотношений расходов <Ъ/(С, ОЛа!* от заложения ОТКОСОВ 1П и относительной ширины Р

■Ч

f4J

s 1

V r

77 и « «

£ t S

( 1 1 à < ti ч

ч, 'Л V

S çy-

1—t oo ¡

í* £

со

o

CX er> a>

a

£

ч

1-3 €

Ф

fA-

Ф\ ф.

Ф. iif&■

ЙЦ

Ф ■,/f.

ф

1/0 '/a ■

o, oí -»• o.eíí-aorj -e,oz

L4- n *о,сег~o,a23 ■ ■ o,o2?

« 0.2 as t>A o.s i¿

T ,

Рис. 7 - График зависимости 1/K- от п и (?'/В)

/

ф -П-0,0{

л -то.вге _'

х-/7»<?А2г-в,йа i а - trbost i ¡

lío ^

Ú '¡7 'Jt

Ряс. fi:- Сопоставление показателей 'степени,"

полученных из опытных данных, с расчетными по формулам

1. и • . ) ! I; /

цсломые сдозночениз'- _

Ш

__'!-(*)-

й - Го;. /?-- о,0>$-о.&?

--- - (ю-/1- 0,020-0.025

4- (Ю - П- 0,02?

а*

а* о,3

Рис. 5 - График зависимости П = /ОТ*' ^( Л ; <л/В)