Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

«Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» Угроватова Евгения Геннадьевна

«Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов»
<
«Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов» «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов»
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Угроватова Евгения Геннадьевна. «Экспериментально–расчётное обоснование гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных магистральных каналов»: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.23.16 / Угроватова Евгения Геннадьевна;[Место защиты: ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева], 2017

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние исследований крупных магистральных каналов 11

1.1 Существующие классификации крупных каналов 11

1.2 Описание ряда крупных каналов Юга России и проведённых гидравлических и фильтрационных исследований 12

1.3 Обзор методов расчёта каналов и расчётных зависимостей для коэффициента Шези 24

1.4 Исследование гидравлических сопротивлений русел каналов и рек 35

1.5 Обзор фильтрационных исследований и расчётов крупных каналов 37

1.6 Исследования фильтрационных сопротивлений каналов и дренажа 42

Выводы по главе 44

Глава 2. Исследования гидравлически выгодного профиля и гидравлических сопротивлений крупных магистральных каналов полигонального сечения 45

2.1 Применение полигональных сечений для крупных магистральных каналов и особенности их гидравлических расчётов 45

2.2 Критерии гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности крупных каналов 50

2.3 Методика определения рационального профиля крупных каналов в земляном русле 56

2.4 Оценка гидравлических сопротивлений полигональных сечений по данным натурных наблюдений 64

2.5 Анализ совокупности натурных данных гидравлических сопротивлений земляных русел каналов 71

2.6 Расчётные формулы для определения коэффициента Шези крупных каналов в земляном и бетонном руслах з

2.7 Гидравлические исследования полигональных русел каналов на моделях 82

Выводы по главе 90

Глава 3. Обоснование фильтрационных сопротивлений для фильтрационного расчёта крупных магистральных каналов 92

3.1 Теоретические основы методов расчёта фильтрационных сопротивлений 92

3.2 Методика расчёта подпёртой установившейся фильтрации из канала при отсутствии приканального дренажа на основе метода фильтрационных сопротивлений 98

3.3 Методика расчёта подпёртой установившейся фильтрации из канала при наличии приканального дренажа на основе метода фильтрационных сопротивлений 101

3.4 Обоснование фильтрационных сопротивлений облицовок каналов 103

3.5 Расчёт коэффициента полезного действия крупных каналов с учётом фильтрационных сопротивлений 109

3.6 Примеры расчётов подпертой установившейся фильтрации из каналов с использованием метода фильтрационных сопротивлений 113

3.6.1 Расчёт фильтрации из Большого Ставропольского канала (БСК–1) 113

3.6.2 Расчёт фильтрации из Донского магистрального канала (ДМК) 120

3.6.3 Анализ результатов расчетов фильтрации из каналов БСК-1 и ДМК 121

Выводы по главе 124

Глава 4. Сравнение результатов исследований гидравлических и фильтрационных сопротивлений крупных каналов с исследованиями других авторов и натурными данными 125

4.1 Сравнение результатов расчёта гидравлических сопротивлений по формулам автора и другим расчётными зависимостям для крупных каналов с натурными данными 125

4.2 Сопоставление расчётных значений коэффициентов гидравлических сопротивлений с натурными данными земляных и бетонных русел каналов 131

4.3 Сравнение результатов расчёта фильтрационных сопротивлений с формулами других авторов 134

4.4 Определение натурных данных фильтрационных потерь и сравнение их с расчётными данными, полученными методом фильтрационных сопротивлений 138

Выводы по главе 146

Заключение 147

Список литературы 150

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время только на Юге Российской Федерации используется значительное количество магистральных каналов общей протяжённостью более 23 тыс. км, из которых более 30 относятся к крупным каналам комплексного назначения с расходом от 50 до 250 м3/с. Примерами таких каналов являются: Большой Ставропольский канал, Донской магистральный, Терско-Кумский, Невинномысский каналы и другие. Они используются для целей водоснабжения, орошения, обводнения, энергетики, повышения водообеспеченности пересыхающих рек.

Ввиду длительной эксплуатации крупных каналов происходит снижение их гидравлической эффективности из-за различных деформаций русел, заиления, обрушения откосов, подмывания берегов, зарастания водной растительностью. Всё это приводит к снижению пропускной способности и повышению гидравлических сопротивлений русел каналов. При значительной фильтрации из каналов наблюдается подъём уровня грунтовых вод в приканальной зоне и подтопление прилегающей территории.

Отмеченные причины обуславливают снижение КПД каналов, ухудшение экологической обстановки, а в ряде случаев, аварийные ситуации с прорывом дамб каналов и затоплением населённых пунктов и сельскохозяйственных земель.

Степень её разработанности. Изучением гидравлики каналов и рек, в
том числе гидравлических сопротивлений, занимались многие учёные:
Н.Н. Павловский, А.П. Зегжда, И.И. Агроскин, И.Ф. Карасёв, А.Д. Альтшуль,
Г.В. Железняков, А.А. Угинчус, О.М. Айвазян, Д.В. Штеренлихт, Е.К. Рабкова,
В.С. Боровков, Н.В. Ханов, М.А. Волынов, Ю.М. Косиченко,

А.М., Латышенков, Ю.В. Брянская и др.

Большой вклад в исследования фильтрации из каналов был сделан в классических трудах Н.Н. Павловского, С.Ф. Аверьянова, А.Н. Костякова,

4 П.Я. Полубариновой-Кочиной, а также в работах В.В. Ведерникова,

Н.Н. Веригина, А.Я. Олейника, А.И. Голованова, В.М. Шестакова,

Л.Е. Чернышевской.

За рубежом в этом направлении известны работы: В.Т. Чоу, Э.Марки, А. Найта, В. Граф, Р. Кеннеди, Штриклера и др.

Изучение вопросов гидравлических сопротивлений русел каналов, а также фильтрационных сопротивлений земляных русел каналов и облицовок особенно актуально для Юга России, где сосредоточено наибольшее количество крупных магистральных каналов, которые недостаточно изучены и имеют свои особенности, в частности, при их работе в сложных инженерно-геологических и эксплуатационных условиях.

Цели и задачи. Целью исследований является изучение рационального
профиля, выгодного с гидравлической и практической точек зрения, и
гидравлических сопротивлений крупных магистральных каналов

полигонального сечения, а также фильтрационных сопротивлений русел каналов.

Для достижения поставленной цели в данной работе ставятся и решаются следующие задачи:

– провести анализ современного состояния исследований крупных магистральных каналов;

– разработать методику расчёта рационального профиля крупных каналов полигонального сечения;

– провести обобщение натурных данных гидравлических сопротивлений крупных каналов полигонального сечения Юга России и получить на их основе новые эмпирические зависимости;

– получить усовершенствованные полуэмпирические зависимости для определения коэффициента Шези крупных каналов в земляном и бетонном руслах;

5
– провести исследования полигональных русел каналов на

гидравлических масштабных моделях;

– обосновать расчётные зависимости для определения фильтрационных сопротивлений крупных каналов;

– разработать методику фильтрационного расчёта крупных каналов с использованием метода фильтрационных сопротивлений;

– провести сравнение результатов расчёта гидравлических и

фильтрационных сопротивлений крупных каналов по формулам автора с известными зависимостями;

– сравнить натурные данные фильтрационных потерь с расчётными, полученными методом фильтрационных сопротивлений.

Научную новизну работы составляют:

– методика расчёта рационального профиля крупных каналов

полигонального сечения;

– новые эмпирические зависимости гидравлических сопротивлений крупных каналов полигонального сечения;

– усовершенствованные полуэмпирические зависимости для определения коэффициента Шези крупных каналов в земляном и бетонном руслах;

– новые расчётные зависимости для определения фильтрационных сопротивлений облицовок каналов;

– методика фильтрационного расчёта крупных каналов на основе метода фильтрационных сопротивлений;

– результаты сравнения расчётных и натурных данных гидравлических и
фильтрационных сопротивлений крупных каналов с известными

зависимостями.

Теоретическую и практическую значимость работы составляют:

– эмпирические зависимости гидравлических сопротивлений русел полигонального сечения, полученные на основе обобщения натурных данных крупных каналов Юга России;

6 – полуэмпирические зависимости для определения коэффициента Шези

крупных каналов в земляном и бетонном руслах;

– теоретически обоснованные расчётные зависимости для определения фильтрационных сопротивлений облицовок каналов;

– методика по определению рационального профиля крупных каналов
полигонального сечения и фильтрационным расчётам каналов с

использованием метода фильтрационных сопротивлений;

– результаты обобщения натурных данных гидравлических

сопротивлений крупных каналов полигонального сечения Юга России.

Методология и методы исследования. Методология исследований заключается в анализе обобщённых натурных данных и результатов лабораторных данных гидравлических и фильтрационных сопротивлений и сопоставлении их с расчётными данными по формулам автора.

При проведении исследований использовались натурные, теоретические и лабораторные методы. Натурные исследования основывались на обобщении ранее выполненных наблюдений каналов Юга России. При обобщении натурных данных использовались методы математической статистики. Теоретические исследования проводились на основе метода фильтрационных сопротивлений для получения новых расчётных зависимостей. Лабораторные исследования базировались на методах теории подобия и проводились с учётом методик исследований на масштабных гидравлических моделях.

Положения, выносимые на защиту:

– методика расчёта рационального профиля крупных каналов

полигонального сечения, основанная на его приведении к трапецеидальному сечению;

– полученные расчётные зависимости гидравлических сопротивлений крупных каналов полигонального сечения, основанные на обобщении натурных данных Юга России;

7 – полученные усовершенствованные полуэмпирические зависимости для

коэффициента Шези, основанные на известных формулах И.И. Агроскина и

А.Д. Альтшуля;

– полученные расчётные зависимости фильтрационных сопротивлений бетонных облицовок для случаев сильнопроницаемого и малопроницаемого основания;

– результаты сопоставления расчётных данных гидравлических и фильтрационных сопротивлений по формулам автора с натурными данными;

– методика расчёта подпёртой фильтрации из крупных каналов с приканальным дренажем, в земляном и облицованном русле на однослойном и двухслойном основании.

Степень достоверности и апробация результатов исследований подтверждаются обобщением многочисленных натурных данных по каналам Юга России и выполненными автором лабораторными исследованиями на гидравлических моделях, а также сопоставлении их с данными, полученными по формулам других авторов.

Внедрение результатов. Методики по определению рационального профиля, гидравлических сопротивлений и фильтрационных расчётов крупных каналов внедрены в ФГБУ «Управление «Ростовмелиоводхоз».

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы
обсуждались на научно-практических конференциях «Проблемы комплексного
обустройства техноприродных систем» ФГБОУ ВПО МГУП (г. Москва, 16 –
18 апреля 2013 г.), «Эксплуатационная надежность и безопасность каналов и
гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск,
17.05.2013 г.), «Новые технологии и подходы к модернизации и повышению
безопасности гидротехнических сооружений» ФГБНУ «РосНИИПМ»

(г. Новочеркасск 16.05.2014 г.), «Гидротехническое строительство: новые
материалы и технологии» ФГБНУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск,

22.05.2015г.).

8 Публикации. По основным результатам исследований опубликовано 7

печатных работ, из них 4 в рецензируемых журналах и изданиях,

рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской

Федерации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и приложения.

Общий объем диссертационной работы 163 страницы печатного текста,

включая 33 рисунка и 15 таблиц.

Описание ряда крупных каналов Юга России и проведённых гидравлических и фильтрационных исследований

С 1962 г. на ТКК проводятся производственные исследования по обследованию основных деформаций русла канала [68]. Они позволили выявить следующие деформации: – размывы вогнутых и заиление выпуклых берегов канала на всех закруглениях; – интенсивное заиление начального участка канала: а) в первые годы эксплуатации в связи с пропуском по каналу расходов воды значительно меньше проектных и работы канала с подпором; б) в последующие годы эксплуатации из–за поступления в канал большого количества наносов вследствие непроведения гидравлических промывок верхнего перегораживающего сооружения на р. Терек; – подтопление фильтрационными водами полосы отчуждения канала и прилегающих сельскохозяйственных угодий; – зарастание камышом откосов канала; – зарастание сорной растительностью дамб канала. В 1980–1985 гг. сотрудниками Новочеркасской государственной мелиоративной академии были проведены натурные исследования на ТКК [68]. Результаты замеров формы поперечного сечения после более чем 20–летней эксплуатации канала показали, что она существенно изменилась и стала несимметричной. У одного берега происходили размывы, а у противоположного – отложения наносов слоем до 50 см. Кроме того, на ТКК были исследованы гидравлические параметры канала и установлен коэффициент шероховатости русла, который получен равным n=0,0237.

Невинномысский канал (НК) введён в эксплуатацию в 1948 г. Данный канал комплексного назначения и используется для орошения, обводнения, водоснабжения, энергетики (рис. 1.8). По Невинномысскому каналу кубанская вода перебрасывается в р. Большой Егорлык, а затем достигает р. Западный Маныч в зоне Манычских водохранилищ с целью их подпитки и опреснения.

На Невинномысском канале выполнено полигональное сечение с заложением откосов m=10; 5; 2,5. Протяжённость канала 54 км, расчётный расход 75 м3/с, средняя скорость течения 1,04 м/с, глубина 3,9 м, ширина по дну 2,0 м, уклон 0,00014, ширина по урезу воды 31,6 м. Трасса канала проходит по тяжёлым пылеватым суглинистым грунтам, находящимся в сильной степени сульфатно– хлоридного засоления (на глубине 50–60 см в 100 г грунта содержится 82 г солей).

Канал был запроектирован в земляном русле. Крепление выполнено на однобортных дамбах. Впоследствии почти повсеместно в зоне волнобоя отсыпана гравийно–песчаная смесь. В настоящее время имеется проект расширения НК для пропуска расхода 135 м3/с. Мутность воды в канале равна мутности воды в р. Кубани в створе г. Невинномысска.

Невинномысский канал питает кубанской водой более трети всех городов и населённых пунктов Ставропольского края. Канал позволяет оросить свыше 20 тысяч гектаров земель и обводнить свыше 1,5 миллиона гектаров. Водой, подаваемой по каналу, обводняется очень большая территория Ставропольского края, Ростовской области и Республики Калмыкия в 1,85 млн. га. Канал обеспечивает работу трех ГЭС и Ставропольской ГРЭС, которые вырабатывают ежегодно 15 млрд. кВт ч электроэнергии и подают её в другие регионы России и страны СНГ [16]. В 1962 г. под руководством И.Ф. Карасёва была разработана программа производственных наблюдений и исследований [45], которая включала наблюдения за местными деформациями, за состоянием ложа и откосов канала.

Результаты ежегодно проводившихся исследований позволили выявить характерные деформации канала: подсечку бортов канала течением и действием ветровых волн, оползание мокрых откосов, закреплённых в зоне переменного уровня, зарастание откосов канала камышом и дамб сорной растительностью.

Кумо–Манычский канал (КМК) сдан в эксплуатацию в 1964г. Канал берёт своё начало от р. Кумы у с. Левокумского Ставропольского края и доходит до Чограйского водохранилища. Протяжённость канала составляет 96,2 км, головной расход – 60 м3/с, в концевой части – 39 м3/с. Объём переброски стока по каналу равен около 0,7 км3/год. Основное назначение Кумо–Манычского канала – транспортировка воды для Чограйского водохранилища, полный объём которого составляет 720 млн. м3, полезный 670 млн. м3. Канал также играет важную роль в орошении земель Левокумского и Арзгирского районов Ставропольского края. Питает водой каналы: Левокумский, Садовый, Закумский. Он служит источником питания трёх оросительных систем: Левокумской, Садово–Закумской и Родниковской. Для Арзгирской оросительной системы воду берут из Чограйского водохранилища.

Право–Егорлыкский канал (ПЕК) питается за счёт кубанской воды, подаваемой в р. Большой Егорлык Невинномысским каналом. Забор воды в ПЕК осуществляется из Новотроицкого водохранилища. Канал имеет длину 123 км, пропускную способность 45 м3/с. На отдельных участках канал облицован бетонными плитами. Ежегодно по каналу для обводнения и орошения подаётся 700 млн. м3 воды (рис. 1.9). Из канала забирают воду для водоснабжения 44 населённых пунктов, 40 магистральных водопроводов, общая длина которых составляет 494 км. Благодаря ПЕК, ожили, прежде всего, высыхавшие реки Ташла, Малая и Большая Кугульта, Джалга и другие [68]

Критерии гидравлической эффективности и эксплуатационной надёжности крупных каналов

Доверительный интервал изменения показателя снижения КПД: где [117] На основании проведённой нами статистической обработки представленных данных получены следующие значения показателей: по 10 каналам - среднестатистическое значение показателя снижения пропускной способности при среднеквадратичной ошибке ; по 25 каналам - среднестатистическое значение показателя снижения КПД при Показатель , в виду отсутствия данных по обобщённому силовому воздействию, не устанавливался. Ориентировочно его можно принимать в первом приближении в диапазоне от 0,920 до 0,940.

Впервые А.А. Угинчусом [115], а затем А.М. Латышенковым [43] предложено поперечные сечения большинства каналов выполнять близкими к гидравлически наивыгоднейшему профилю за счет незначительного уменьшения средней скорости течения на 2-3%. Применение этого метода позволяет переходить от неудобных и невыгодных с точки зрения производства работ узких и глубоких «абсолютно гидравлически наивыгоднейших сечений» с относительной шириной по дну /? = - = 0,25 0,83 к более удобным «практическим» трапецеидальным сечениям с /? = 2,24,4 [115]. Назовем такой профиль канала рациональным, который с одной стороны, будет выгодным с гидравлической точки зрения, так как приближается к гидравлически наивыгоднейшему сечению, а с другой стороны, будет удобным с практической точки зрения.

Применение полигональных сечений в крупных каналах, как сказано выше, объясняется тем, что они близко подходят к естественной плавной форме русла, имеющих параболическую форму.

Для определения относительной ширины рационального профиля полигонального сечения канала, /?рац, учитываем следующие исходные данные: расход канала - Q, уклон дна русла - /, коэффициент шероховатости русла - п, глубины элементов полигонального сечения - h1, h2, h3, заложение откосов элементов сечения -т1, т2, т3.

В качестве основного уравнения используем уравнение равномерного движения в канале [118, 119], когда по исходным данным находится модуль расхода К: j, (2.11) где со - площадь сечения канала; - коэффициент Шези; R - гидравлический радиус. При этом учтем принятые А.М. Латышенковым [43] соотношения между гидравлическими параметрами сечения близкого к гидравлически наивыгоднейшему и «абсолютного» гидравлически наивыгоднейшего: — — (2.12) где Ли - коэффициент скорости, принимаемый равным 0,97; U, Uг.н - средние скорости живого сечения близкого и гидравлически наивыгоднейшего сечения; со, сог.н - площади живого сечения близкого к гидравлически наивыгоднейшемуи гидравлически наивыгоднейшего сечения.

Однако, учитывая сложность решения задачи для полигонального сечения, по предложению А.А. Угинчуса [115] для упрощения расчетов целесообразно использовать понятие о приведенном значении заложения откоса mпр, которое позволяет заменять полигональное сечение канала фиктивным трапецеидальным с приведенным значением заложения откоса (см. п. 2.1).

Тогда относительная ширина трапецеидального сечения рассчитывается по общеизвестной формуле с учетом приведенного заложения откоса: (2.13)

Заменяя в правой части уравнения (2.11) гидравлические параметры следующими выражениями в соответствии с уравнением (2.13): запишем его в виде: Откуда после преобразований, приняв , автором получено выражение для определения относительной ширины фиктивного трапецеидального профиля канала рационального профиля, близкого к гидравлически наивыгоднейшему сечению [62]: (2.14) Учитывая, что [43], запишем Тогда принимая АU = 0,97, найдём по А.М. Латышенкову значение Тогда , подставляя которое в формулу (2.14), перепишем её в более общем виде: (2.15) где ; . Параметр hг.н для фиктивного трапецеидального сечения вычисляем по формуле: (2.16) где . Учитывая, что полигональные профили каналов имеют, как правило, распластанные сечения, рекомендуемое значение следует назначить равным рац, вычисленное по формуле (2.15).

Принимая во внимание положения, изложенные выше, рассмотрим предлагаемую автором методику расчёта канала полигонального сечения с учётом приведения его к фиктивному трапецеидальному и с использованием рациональной относительной ширины русла [58].

Методика расчёта подпёртой установившейся фильтрации из канала при наличии приканального дренажа на основе метода фильтрационных сопротивлений

С целью изучения гидравлических характеристик (гидравлических сопротивлений и коэффициентов шероховатости) полигональных русел каналов необходимо проведение натурных и лабораторных исследований. В результате натурных исследований возможно изучение гидравлических характеристик полигональных сечений только для отдельных каналов с определёнными размерами поперечных сечений без их изменения. Применение лабораторных исследований на моделях позволяет изучать русла с изменением не только характеристик, но и параметров сечения. При этом наибольший интерес представляют так называемые шероховатые русла [122].

Тщательно проведённые экспериментальные исследования областей сопротивления различных русел, ставшие уже классическими, [24, 34] установили, что к шероховатым руслам можно относить открытые русла в квадратичной области сопротивления и переходной области от квадратичной к гидравлически гладкой. При проведении опытов в лабораторных условиях на гидравлическом лотке была выполнена модель русла канала полигонального сечения с двумя парами откосов, имеющими коэффициенты заложения в нижней части откоса =4,0 м, в верхней части откоса =2,0 м (рис. 2.14). Для упрощения обработки данных лабораторных опытов полигональное сечение каналов заменялось приведённым трапецеидальным с приведённым коэффициентом заложения откоса =3,26. За масштаб моделирования линейных размеров было принято отношение нат мод . Расходы воды на модели русла изменялись от 5,2 до 27,5 л/с. I – гидравлический лоток, 2 – бак постоянного напора, 3 – модель канала полигонального сечения, 4 – подъёмный механизм для изменения уклона дна лотка, 5 – шпиценмасштабы, 6 – сливной бак, 7 – мерный водослив Томсона, 8 – подвод воды, 9 – сброс воды Рисунок 2.14 – Схема гидравлического лотка с моделью русла канала Согласно А.Д. Альтшулю [24], моделирование открытых русел осуществляется по Фруду и Рейнольдсу с учётом сил тяжести и сил трения при соблюдении трёх соотношений: (2.57) где – число Фруда; – коэффициент Шези; – уклон дна. Так как одновременное выполнение соотношений (2.57) затруднительно, то достаточно обеспечить любые два условия, чтобы третье соблюдалось автоматически.

На основании полученных условий подобия для моделирования русла необходимо принять на модели уклон, соответствующий натурному, а шероховатость модели выбрать таким образом, чтоб число Фруда на модели было равно числу Фруда в натуре. Тогда будет выполняться и равенство по коэффициентам Шези.

В соответствии с вышеуказанным, для выполнения соотношения на моделях будет наблюдаться переходная область сопротивления. В этих условиях коэффициент Шези зависит от числа Рейнольдса, а также от гидравлического уклона. Для обоснования размера выступов шероховатости модели необходимо использовать обобщённую формулу А.Д. Альтшуля [24]: (2.58) где – коэффициент Шези, м0,5/с; – эквивалентная шероховатость поверхности русла, мм; – гидравлический радиус, мм. На основе соотношения по коэффициенту Шези (2.57) и используя формулу (2.58), найдём зависимость для расчёта высоты выступов шероховатости модели [24]: (2.59) где – эквивалентная шероховатость поверхности модели, мм; – эквивалентная шероховатость поверхности русла канала в натуре, мм; – линейный масштаб модели; – гидравлический радиус живого сечения канала в натуре, мм; – уклон дна русла канала в натуре, который согласно соотношениям (2.57) должен быть равен уклону модели. Учитывая соотношение по коэффициентам Шези, масштаб подобия скоростей составит [69] (2.60) что также соответствует условиям моделирования по числу Фруда (2.57). Как известно, между эквивалентной шероховатостью и коэффициентом шероховатости n существует связь, выражаемая соотношением [9] (2.61) В работе [32] приведена аналогичная формула А.Д. Альтшуля: (2.62) Проведём теперь расчёт модели на примере Пролетарского магистрального канала (ПМК) полигонального сечения с исходными данными (Q=54,0 м3/с, R=2,73 м, =6,6610-6, =0,61 м/с, i=0,00004, n=0,0203, =17,1 мм). Определим высоту выступов эквивалентной шероховатости модели при масштабе моделирования =20 по формуле (2.59): Сопоставляя значение со шкалой рекомендуемых значений эквивалентной шероховатости для лабораторных моделей [9], принимаем поверхность модели русла канала гладкой, покрытой масляной краской, посыпанную песком с размером зёрен d=0,7 мм. Указанная поверхность русла будет отвечать значениям эквивалентной шероховатости модели в пределах = 0,32 – 0,60 мм.

Лабораторные исследования проводились в лаборатории гидравлики Новочеркасского инженерно–мелиоративного института им. А.К. Кортунова – филиала ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» на гидравлическом лотке размером 6,0 1,0 0,67 м. В процессе эксперимента соблюдались условия равномерного движения потока на модели.

Сопоставление расчётных значений коэффициентов гидравлических сопротивлений с натурными данными земляных и бетонных русел каналов

Основные результаты расчёта сведены в таблицы 4.5 и 4.6 Анализ натурных и расчетных данных потерь на фильтрацию с 1м2 показывает о близких результатах с отклонением их на четырех участках БСК – 3 в пределах 3,6 14,4 %, что свидетельствует о достоверности проведенных расчетов и, соответственно, расчетных формул фильтрационных сопротивлений.

Имеющиеся отклонения натурных и расчетных данных можно объяснить недостаточной точностью измерения уровня воды в отсеке по водомерной рейке и слоя испарения воды с помощью испарителя, а также недостаточной точностью определения исходных данных для расчета

Для повышения точности измерения натурных данных целесообразно использование нового способа определения потерь воды из каналов с облицовкой (патент № 2530995)[102].

Натурные данные Расчетные данные Номер участка Отсек №и егопротяженность Средняяглубина вотсекеh0 , м Падениеуровня вотсеке,Л/?,м Потери с 1м2 каналаS 2 ,1мл/(сут.м2) Фильтрац. сопротивление облицовки , мобл Напор поподошвеоблицовкиh1 , м Удельныйрасход нафильтрациюQк , м2/сут Потери на фильтрацию, , л/(сут.м )S 2 21м Отклонение расчетных данных отнатурных, %

Способ заключается в устройстве в канале изолированного отсека, состоящего из двух полимерных водонепроницаемых перемычек, которые на время определения фильтрационных потерь заделывают в пазы на дне канала на расстоянии 3050 м, с последующей гидроизоляцией мест стыка. Поддержание полимерных водонепроницаемых перемычек в устойчивом положении осуществляется при помощи металлополимерного троса, продетого в монтажные отверстия в верхней части перемычек и закрепленного к береговым анкерам. Для уменьшения влияния при проведении замеров внешних факторов, поверху между водонепроницаемыми перемычками натянут тент из светонепроницаемой полимерной пленки. Измерение уровня воды в отсеке осуществляют в специальных карманах, прикрепленных с внешней стороны к перемычкам и сообщающихся с изолированным отсеком с помощью трех рядов отверстий в верхней, средней и нижней частях. Для измерения уровня воды каждый карман оборудуется переносным игольчатым уровнемером (шпитценмасштабом) с ценой деления шкалы нониуса 0,1 мм, который закрепляется на металлической стойке, установленной в верхней части откоса выше измеряемого уровня воды, что обеспечивает высокую точность измерения потерь воды на фильтрацию из каналов.

Основным измеряемым параметром в отсеке является падение уровня воды . При фильтрации воды через облицовку канала уровень воды в изолированном отсеке и соответственно в карманах с внешней стороны изолированного отсека падает на величину за время t. По падению уровня определяют удельный фильтрационный расход и осредненный коэффициент фильтрации облицовки по формулам: (4.27) (4.28) где - удельный фильтрационный расход, л/сутм; 145 – суммарный фильтрационный расход из изолированного отсека длиной , л/сут; – длина изолированного отсека, м; – коэффициент соответствия размерностей, =8,64104 (лс)/(сутммм2); – падение уровня в кармане, мм; – время, в течение которого происходит падение уровня воды на величину , с; – ширина канала по дну, м; – средняя глубина воды в изолированном отсеке, м, ; , – начальная и конечная глубина воды в отсеке за время наблюдений , м; – коэффициент заложения откосов; – осреднённый коэффициент фильтрации противофильтрационной облицовки, включающей экран из полимерных материалов, например, геомембрану из полиэтилена или его отходов, м/сут; – толщина облицовки, м; – коэффициент соответствия размерностей, =8,6410–5 (смсм)/(смм). Применение предлагаемого способа определения потерь на фильтрацию из каналов позволит повысить точность измерений за счет уменьшения ошибки измерения до ±13%. Такое значительное повышение точности обеспечивается в результате замера уровня воды с помощью игольчатого уровнемера с точность отсчета по шкале нониуса 0,1, а также за счет исключения влияния волновых воздействий, испарения и атмосферных осадков при проведении измерений.