8.2. Гидравлические расчеты открытых каналов

При гидравлическом расчете открытых каналов встречаются задачи следующих основных типов:

1. определение расхода жидкости, пропускаемой данным каналом;

2. определение уклона дна, необходимого для пропуска заданного расхода жидкости в канале заданной формы сечения с известной глубиной наполнения;

3. определение глубины наполнения или ширины канала для пропуска данного расхода жидкости при известном уклоне дна.

При решении указанных задач будем исходить из формулы Шези (8.3)

.

Подставив в нее значение коэффициента С в его выражении например по Маннингу, получим

. (8.13)

При этом для расхода будем иметь следующее выражение:

. (8.14)

Значение площади живого сечения и гидравлического радиуса R в этой формуле зависят от глубины наполнения канала h и от формы его поперечного сечения, коэффициент же шероховатости является заданной величиной.

Рис.2 Рис.3

Если заданы форма поперечного сечения канала и глубина его наполнения, находят модуль расхода

.

После этого по формуле (8.14) определяют расход для заданного уклона или уклон, необходимый для пропуска заданного расхода.

Если же известны расход и уклон канала и требуется определить глубину его наполнения, поступают следующим образом: задаются формой поперечного сечения канала и несколькими значениями глубины его наполнения h. Далее вычисляют соответствующие этим наполнениям значения модуля расхода К и строят кривую для К в зависимости от h (рис. 2). Затем откладывают по оси абсцисс значение модуля К_р (соответствующее заданному расходу) и по кривой определяют искомую глубину наполнения h_p. В этом случае, когда известна глубина наполнения и необходимо найти ширину канала, поступают аналогично предыдущему –строят график изменения модуля расхода К в зависимости от ширины b и находят по этому графику искомую ширину канала (рис. 3).

Подобные задачи могут быть решены также и аналитически, если предварительно выразить через глубину наполнения h величины и . Так, в случае прямоугольного сечения шириною В имеем

.

При трапецеидальном русле (рис.4)

и

,

где

Подставляя эти выражения для и в формулу (8.14), получаем уравнение с одним неизвестным; практически определение глубины h по кривой (описан­ное выше) оказывается более простым.

Рис.4

8.3. Допустимые скорости

При больших скоростях движения жидкости в открытых каналах появляется опасность размыва стенок и дна канала. Поэтому скорость приходится ограничивать до определенных предельных значений, устанавливаемых в каждом отдельном случае в зависимости от рода грунта или способа укрепления русла, т.е. от материала стенок и дна канала. В табл.1 приведены примерные значения предельных скоростей для различных грунтов при м.

Таблица 1.

Грунт	Скорость , м/с
Супесь слабая, пылеватый песок Супесь уплотненная Суглинки легкие (в том числе лессовидные) Суглинки средние Суглинки плотные Глины мягкие Глины нормальные Глины плотные Илистые грунты	0,7-0,8 1,0 0,7-0,8 1,0 1,1-1,2 0,7 1,2-1,4 1,5-1,8 0,5-0,6

Однако при очень малых скоростях взвешенные частицы, (наносы) влекомые потоком (муть, мелкий песок и т. д.), могут выпадать и откладываться на дне канала. Для предотвращения образования осадков на дне капала или, как говорят, заиления канала оказывается необходимым ограничивать также и наименьшую величин средней скорости. Так, средняя скорость для воды, несущей муть должна быть не менее 0,25 м/с, а для воды с мелким песком не менее 0,5 м/с.

Наименьшая допустимая скорость для каналов значительной ширины определяется по эмпирической формуле (8.15), которая может быть представлена также и в более общем виде (8.16):

, (8.15)

, (8.16)

В этой формуле h –глубина наполнения капала, –некоторый коэффициент, значение которого выбирают в зависимости от состава наносов (см.табл.2).

Таблица 2.

Характеристика наносов	Коэфифциенты
Крупные песчано-илистые Средние Мелкие Очень мелкие	0,60-0,71 0,54-0,57 0,39-0,41 0,34-0,37

Для определения величины, пригодная для каналов гидравлически наивыгоднейшего сечения; предельного уклона, при котором может начаться заиление канала, применяется формула

(8.17)

где п –коэффициент шероховатости по Маннингу.

Необходимо учесть, что ввиду большой сложности указанных явлений приведенные здесь данные следует рассматривать как весьма приближенные, пригодные лишь для ориентировочных (прикидочных) расчетов.