Определения расхода воды в русле реки по результатам промеров

Вариант задания, выполняемый студентом, определяется по номеру зачётной книжки.

2.1. Из табл. 2.1 берётся зависимость глубины h в створе реки от расстояния x от постоянного начала на берегу для различных вариантов y (предпоследняя цифра номера зачётной книжки).

Таблица 2.1

2.2. Из табл. 2.2 берётся распределение скоростей по ширине и глубине в створе реки, где h_m – глубина дна на данной скоростной вертикали, z – последняя цифра номера зачётной книжки.

Таблица 2.2

2.3. Рассмотрим порядок выполнения задания на конкретном примере. По отметкам дна h и горизонтальным координатам промерных вертикалей строим поперечный профиль русла (рис. 2.1)

Рис. 2.1	x	h
2,23	0,00
2,50	0,78
3,00	1,05
3,50	1,10
4,00	1,15
4,50	1,25
5,00	1,32
5,50	1,40
6,00	1,62
6,50	2,00
7,00	2,20
7,50	2,10
8,00	2,05
8,50	1,60
8,89	0,00

2.4. Вычисляем площадь водного сечения

ω = [0,27(0,00+0,78)+0,5(0,78+1,05)+…+0,39(1,60+0,00)]/2 = 9,63 м².

2.5. Ширина реки

В = x_n – x₀ = 6,66 м.

2.6. Средняя глубина

h_ср = ω/B = 9,63/6,66 = 1,45 м.

2.7. Строим профили скоростных вертикалей. Батометр (рис. 2.2) не может измерять скорость на поверхности реки и на дне. Поэтому эти скорости определяем графической экстраполяцией.

Рис. 2.2

2.8. Результаты измерения скоростей при х = 3,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,52
0,10	0,51
0,21	0,50
0,63	0,45
0,84	0,42
0,95	0,39
1,05	0,34

Рис. 2.3

Средняя скорость на вертикали ;

= 0,456 м/с.

2.9. Результаты измерения скоростей при х = 4,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,53
0,20	0,52
0,36	0,51
0,63	0,46
0,78	0,42
0,95	0,36
1,15	0,32

Рис. 2.4

Средняя скорость на вертикали u_v = 0,471 м/с.

2.10. Результаты измерения скоростей при х = 5,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,54
0,10	0,54
0,26	0,53
0,79	0,48
1,05	0,42
1,22	0,36
1,32	0,30

Рис. 2.5

Средняя скорость на вертикали u_v = 0,472 м/с.

2.11. Результаты измерения скоростей при х = 6,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,72
0,10	0,72
0,50	0,70
1,02	0,62
1,40	0,53
1,52	0,48
1,62	0,40

Рис. 2.6

Средняя скорость на вертикали u_v = 0,631 м/с.

2.12. Результаты измерения скоростей при х = 7,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,81
0,10	0,80
0,44	0,76
1,31	0,65
1,76	0,56
2,10	0,48
2,20	0,41

Рис. 2.7

Средняя скорость на вертикали u_v = 0,660 м/с.

2.13. Результаты измерения скоростей при х = 8,00 м

h, м	u, м/с
0,00	0,65
0,10	0,64
0,41	0,61
1,23	0,54
1,64	0,48
1,95	0,42
2,05	0,39

Рис. 2.8

Средняя скорость на вертикали u_v = 0,546 м/с.

2.14. Сводим в таблицу (табл. 2.3) данные для построения графиков распределения глубины h, скорости v_в, и удельного расхода q на вертикали (рис. 2.9). В промежуточных точках (0,5 м, 1,5 м и т. д.) скорость на вертикали находим как полусумму скоростей в соседних точках. Например, на вертикали х = 3,5 м скорость

v_в = (0,47 + 0,63)/2 = 0,55 м/с.

2.15. Удельный (на единицу длины) расход на вертикали находим, перемножая глубину и скорость на вертикали. Например, на вертикали х = 3,5 q = h v_в = 1,40·0,55 = 0,77 м³/с/м.

Таблица 2.3

Рис. 2.9

2.16. Находим расход воды в данном сечении

Q = 0,27(0 + 0,18)/2 + 0,5(0,18 + 0,48)/2 + … = 5,10 м³/с.

2.17. Средняя скорость в сечении

V = Q/ω = 5,10/9,63 = 0,53 м/с.

3. Гидравлический расчёт нагорной канавы на ливневый сток

Величины исходных данных определяются по предпоследней y и последней z цифрам номера зачётной книжки.

Исходные данные: район Донецка; поверхность и вид грунта водосборной площади – задернованная глина (для такой поверхности из табл. 3.1 коэффициент шероховатости = 0,04; из табл. 3.2 коэффициент стока ψ = 0,20); средний уклон водосбора в направлении стока дождевых вод 0,03 + 0,001y; длина канавы l_к = 1400 + 100z м; уклон канавы по дну i = 0,004; коэффициент заложения откосов m = 1,5.

Требуется выполнить гидравлический расчет канавы в сечении, проходящем через точку В на рис. 3.1.

Расчёт производится в соответствии с рекомендациями инструкции «Руководство по проектированию водоотвода и дренажа на летных полях аэродромов» [12].

Рис. 3.1

Таблица 3.1

Вид поверхности	Коэффициент шероховатости
Асфальтовое покрытие Бетонное покрытие Грунтовая поверхность без грунтового покрова Задернованная грунтовая поверхность Неукреплённые земляные русла (канавы)	0,011 0,014 0,025   0,04…0,06 0,02…0,025

Таблица 3.2

Пример расчёта выполнен для следующих данных: средний уклон водосбора в направлении стока дождевых вод 0,04; длина канавы l_к = 1200 м; уклон канавы по дну i = 0,004; коэффициент заложения откосов m = 1,5.

По карте находим для района Донецка интенсивность дождя продолжительностью 20 мин с вероятным периодом превышения один раз в год 88 л/с/га (рис. 3.2). По табл. 3.3 находим для востока Украины среднее количество дождей за год = 60, показатель степени γ = 1,82, для периода однократного превышения расчетной интенсивности дождя P ≥ 1 год показатель степени n = 0,67.

Рис. 3.2

Таблица 3.3

Параметр расчётной продолжительности дождя

655 л/с/га =

= 0,0655 мм/с = 3,93 мм/мин.

Из табл. 3.4 минимальная мгновенная стокообразующая интенсивность дождя, принимаемая равной интенсивности впитывания i_ст = U* =0,06 мм/мин. Продолжительность стокообразования

98,2 мин.

Таблица 3.4

Длина склона, участвующего в стоке сечения в точке B (равная пути движения воды за время стекания; с более удалённых участков вода не доходит, так как впитывается в грунт),

509 м.

Из точек D и C вода приходит в точку B одновременно. Поскольку длина стока l_DA определяется как путь движения воды за время , то длина l_DA оказывается зависимой от скорости течения воды по канаве V_к, которая в свою очередь зависит от геометрических размеров канавы и глубины потока . Кроме того, от глубины потека существенно зависит пропускная способность канавы Q₀ которая в идеальном случае должна быть равна расчетному расходу Q_р, зависящему от площади одновременного стока F_ст, т.е. и от величины l_DA. Поэтому величину l_DA и связанную с ней глубину потока целесообразно определять методом подбора. Будем считать ширину канавы по дну величиной постоянной, равной b = 0,4 м, а глубину потока будем подбирать такой, чтобы пропускная способность канавы Q₀ равнялась расчетному расходу Q.

Скорость течения воды определяется по формуле

_,

где

_{; ; .}

Результаты расчётов приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5

, м	0,40	0,50	0,424
, м2	0,40	0,58	0,44
, м	1,84	2,20	1,93
, м	0,22	0,26	0,23
	0,34	0,52	0,46
, м1/2/с	15,0	16,0	15,2
, м/с	0,44	0,52	0,46
, мин	52,9	59,5	54,7
, м	47,4	54,8	49,4
, га	33,4	33,8	33,5
, л/с
, л/с

Таким образом, расход Q = 202 л/с, глубина потока 0,424 м, ширина канавы по дну b = 0,4 м, длина канавы l_к = 1200 м; уклон канавы по дну i = 0,004; коэффициент заложения откосов m = 1,5, скорость потока в канаве V_к = 0,46 м/с.

Полная глубина канавы с учётом превышения бровки канала над расчётным уровнем воды (рис. 3.3) h_к = h₀ + 0,25 = 0,42 + 0,25 ≈ 0,67 м.

Рис. 3.3

Так как согласно табл. 3.6 допустимая скорость для глины составляет 1,2·0,85 = 1,02 м/с, что больше V_к = 0,46 м/с, то укрепления откосов и дна канавы не требуется.

Таблица 3.6

Примечание: Значения скоростей даны для глубины потока от 0,4 до 1,0 м. При глубине потока менее 0,4 м табличные значения скоростей принимаются с поправочным коэффициентом 0,85, а при глубине более 1 м – с коэффициентом 1,25.

4. Гидравлический расчёт нагорной канавы на сток талых вод

Величины исходных данных определяются по предпоследней y и последней z цифрам номера зачётной книжки.

Исходные данные: район Донецка; водосборная площадь F = (90 + 10y) га (задернованный суглинок). Озёра и болота отсутствуют, лес отсутствует Продольный уклон канавы i = 0,005 + z.

Решение. Максимальная интенсивность снеготаяния, определяемая по карте рис. 4.1, A = 1,3 мм/ч.

Рис. 4.1

С увеличением площади меняется интенсивность снеготаяния на отдельных участках бассейна, возрастает неодновременность добегания воды к расчётному створу со всей площади водосбора. Коэффициент редукции (уменьшения) максимального стока талых вод

.

Коэффициент снижения расходов за счёт аккумуляции воды в болотах и озёрах на водосборе

δ' = 1 − 0,6∙lg(F_o + 0,2F_б + 1) = 1 − 0,6∙lg(0 + 0,2∙0 +1) = 1,

где F_o и F_б − доля в общей площади водосбора озёр и болот соответственно.

Коэффициент снижения расходов при наличии леса на водосборе

δ'' = 1 − γlg(1 + F_л) = 1 − 0,25∙lg(1 + 0) = 1,

где F_л − доля лесов в общей площади водосбора, γ – коэффициент, равный для лесов на песчаных и супесчаных почвах 0,35 – 0,40 и для лесов на суглинистых почвах – 0,25 – 0,30.

Расчётный расход талых вод, поступающих в канаву:

2,78·1,3∙0,87∙1,0∙1,0∙75 = 236 л/с,

В расчётном сечении (в точке B рис. 3.1) задаёмся параметрами канавы: b = 0,4 м; коэффициент заложения откосов m = 1,5. Из табл. 3.1 коэффициент шероховатости грунтовой поверхности без дернового покрова = 0,025. Решаем задачу методом подбора. Подбираем такое значение глубины потока в канаве, при котором расход воды в канаве равен расчётному расходу талых вод, поступающих в канаву. Площадь живого сечения , смоченный периметр , гидравлический радиус . Показатель степени . Коэффициент Шези . Скорость воды в канаве . Пропускная способность канавы в расчётном сечении .

Результаты расчётов приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

, м	0,30	0,40	0,346
, м2	0,26	0,40	0,32
, м	1,48	1,84	1,65
, м	0,17	0,22	0,19
	0,25	0,24	0,25
, м1/2/с	25,9	27,5	26,7
, м/с	0,68	0,81	0,74
, л/с

Полная глубина канавы с учётом запаса глубины 0,25 м равна

h_к = h₀+ 0,25 = 0,35 + 0,25 = 0,60 м.

Так как согласно табл. 3.6 допустимая скорость для суглинка составляет 0,7·0,85 = 0,60 м/с, что меньше V_к = 0,74 м/с, то требуется укрепления откосов и дна канавы одерновкой плашмя. При этом максимально допустимая (неразмывающая) скорость движения воды возрастает до 1,0·0,85 = 0,85 м/с.