9605
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. В. Агеева, А. К. Битюрин, А. С. Золявин
РЕЧНАЯ И МОРСКАЯ ГИДРАВЛИКА
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим, семинарским занятиям (включая
рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Речная и морская гидравлика»
для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Гидротехническое строительство
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. В. Агеева, А. К. Битюрин, А. С. Золявин
РЕЧНАЯ И МОРСКАЯ ГИДРАВЛИКА
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям, практическим, семинарским занятиям (включая
рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Речная и морская гидравлика»
для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Гидротехническое строительство
Нижний Новгород
2016
УДК 532 (76)
Агеева В. В. / Речная и морская гидравлика [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / В. В. Агеева, А. К. Битюрин, А. С. Золявин; Нижегор. гос. архитектур.- строит.ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016 – 76 с. – 1 электрон. опт. диск (СD-R)
Учебно-методическое пособие содержит курс лекций (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по речной и морской гидравлике, материалы и справочные данные для выполнения практических заданий, предусмотренных учебной программой.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ по дисциплине «Речная и морская гидравлика» по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Гидротехническое строительство.
©В. В. Агеева, А. К. Битюрин, А. С. Золявин
©ННГАСУ, 2016.
3
Содержание
1 РЕЧНАЯ И МОРСКАЯ ГИДРАВЛИКА. Курс лекций…………. |
4 |
2РАСЧЕТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РЕЧНЫЕ И МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ. Рекомендации к выполнению практических
(семинарских) заданий для самостоятельной работы студентов………………………………………………………. 49
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………….. 55
4
РЕЧНАЯ И МОРСКАЯ ГИДРАВЛИКА
Курс лекций
5
1Построение кривых свободной поверхности потока
вестественных руслах
1.1Общие указания
При проектировании кривой свободной поверхности в естественных руслах (водотоках) приходится оперировать с некоторыми средними значениями гидравлических элементов потока, которые и принимаются за действительные характеристики водотока [1].
Т.к. гидравлические элементы потока в естественных условиях отличаются значительными изменениями по его длине, то при установлении средних значений этих элементов данный водоток необходимо разбить с помощью отдельных створов (или раздельных сечений) на участки и для каждого из них установить средние значения гидравлических элементов, которые примерно соответствовали действительным их значениям и, следовательно, правильно отражали естественное состояние потока [1].
При разбивке русла на отдельные расчетные участки руководствуются тем, чтобы каждый их них был однородным в отношении его поперечных сечений, шероховатости и уклонов свободной поверхности, имеющихся в естественном состоянии [1].
Разбивку водотока на участки осуществляется различными способами в зависимости от имеющихся гидрометрических данных.
При наличии наблюдений на участке естественного продольного профиля свободной поверхности, то разбивку рекомендуется осуществлять таким образом, чтобы в пределах данного участка наблюдался однообразный уклон свободной поверхности и вместе с тем чтобы живое сечение не претерпевало резких изменение по форме. В пределах каждого участка кривая свободной поверхности потока представляется прямой линией, имеющей тот или иной уклон (рис. 1.1).
При отсутствии наблюдений на участке естественного водотока, то при разбивке приходится руководствоваться только данными о живых сечениях потока. В этом случае можно рассмотреть два способа: 1) водоток разбить таким образом, чтобы на протяжении участков площади живого сечения были примерно постоянны; 2) водоток можно разбить так, чтобы в пределах одних участков наблюдалось только увеличение площади живого сечения (расширяющийся участок), а в пределах других – только уменьшение площади (суживающийся участок).
6
Рисунок 1.1 – Продольный профиль естественного водотока и разбивка его на участки
Задача проектирования кривой свободной поверхности для естественного водотока заключается в отыскании отметок уровней воды в граничных сечениях (m-1), m, (m+1) и т.д. Для решения этой задачи заданы расход Q и отметка уровня воды в одном из сечений. Например, если выполняется расчет кривой подпора, то
заданной является отметка уровня воды в створе плотины |
z |
m 1 |
(рис. 1.1). В этом |
|
|||
|
|
|
случае кривую свободной поверхности приходится строить, идя вверх по течению: по отметке уровня воды в сечении (m+1) определяется отметка в
сечении m (
z |
m |
|
); по последней определяется отметка уровня воды
z |
m 1 |
|
и т.д.
1.2 Дифференциальное уравнение установившегося неравномерного движения в условиях естественного водотока
Основным уравнением при построении кривой свободной поверхности в естественных водотоках является уравнение установившегося неравномерного плавно изменяющегося движения, которое в дифференциальной форме выглядит следующим образом [1]
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dz d |
|
|
|
|
dh |
|
|
|
|
l |
|
||
|
|
2g |
, |
(1.1) |
||
|
|
|
|
|
||
Учитывая возможность появления в естественных водотоках местных потерь напора, обусловленных изменением живых сечений по длине потока, зависимость (1.1) в данном случае следует переписать в более полном виде [2]
dz dh dhl dhj , (1.2)
7
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dh |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2g |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
|
||
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
dh |
|
|
2 |
ds |
|
2 |
ds |
||||
l |
|
C |
R |
|
|
|
K |
, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.2 – К выводу основных расчетных зависимостей для естественного водотока
Местные потери
(1.3)
(1.4)
где |
|
– коэффициент |
|
изменения живых сечений.
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dh |
j |
d |
|
|
|
dh |
|
|
|
2g |
|
|
|
||
|
|
|
|
, |
(1.5) |
||
|
|
|
|
|
|
||
местного сопротивления, зависящий от характера
dz 1 d |
|
2 |
|
|
Q2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ds |
|
|
|
|
2 |
|
|||||
|
|
2g |
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1.6) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Например, рассмотрим один из |
|
участков естественного |
водотока, |
|||||
ограниченного раздельными створами m и (m+1); отсчет сечений ведется по течению (рис. 1.2).
Интегрируя уравнение (1.6) от сечения m до сечения (m+1)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
S |
|
1 |
ds |
|
|
||
|
|
|
|
|
z |
|
z |
|
1 |
|
|
|
|
Q |
|
m |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
m |
2 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
m |
|
m 1 |
2g |
|
2g |
|
|
K |
2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
m |
|
, |
(1.7) |
||||||
где |
z |
, |
z |
m 1 |
– отметки уровней воды в раздельных створах, отсчитываемые от |
|||||||||||||||||||
m |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
плоскости сравнения OO; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
m |
, |
m 1 – скорости в сечениях m, m+1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
С некоторым приближением можно считать, что [1] |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
8
Sm 1 |
ds |
|
|
Q |
2 |
|
|
|
l |
|
|
|
|
Q2 |
|
|
|
|
(sm1 sm ) Q2 |
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Sm |
K |
|
|
K 2 |
K |
2 |
, |
(1.8) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где K – среднее значение модуля расхода на рассматриваемом участке. Подставляя (1.8) в (1.7):
1) полную форму уравнения, учитывающую как изменение местного скоростного напора по длине потока, так и местные потери напора
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
z |
|
z |
|
Q2 |
1 |
|
|
|
|
m |
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2g |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) промежуточную форму уравнения, скоростного напора, но не учитывающую местные
1 |
|
1 |
|
|
l |
|
|
2 |
2 |
|
|
2 |
|
||
|
|
|
K |
|
|||
m 1 |
|
m |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
,
учитывающую потери напора
(1.9)
изменение
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
1 |
|
l |
|
|
z |
|
z |
|
Q |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
m 1 |
|
|
2g |
2 |
|
2 |
K |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
m |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3)упрощенную формулу, не учитывающую изменений скоростного напора
иместных потерь напора на трение по длине потока hl
z |
z |
|
Q |
2 |
|
l |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
m |
m 1 |
|
K |
2 |
, |
(1.10) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
Местные потери, обусловленные неровностями русла, учитываются в (1.10) заданием соответствующего значения коэффициента шероховатости, от которого
зависит модуль расхода |
K |
. |
|||
|
|||||
Величина |
K |
2 |
определяется по формуле [1] |
||
|
|||||
|
|
||||
K |
2 |
|
1 |
(K |
2 |
|
|
||||
|
2 |
m |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
K |
2 |
) |
|
|
|
|
m 1 |
|
,
(1.11)
1.3 Модуль сопротивления
При неравномерном движении в открытых руслах глубины вдоль потока могут увеличиваться или уменьшаться, при этом поверхность потока имеет криволинейную форму. В первом случае кривые называются кривыми подпора, во втором – кривыми спада [2].
При построении кривых свободной поверхности в естественных руслах пользуются понятием модуля сопротивления расчетного участка реки (термин предложен академиком Н. Н. Павловским) [1,2]
|
|
F Q2 , |
(1.12) |
где – величина падения свободной поверхности потока на рассматриваемом участке.
9
Н.М. Бернадский и А.Н. Рахманов показали, что модуль сопротивления F для равнинных рек не зависит от уклона свободной поверхности и его можно рассматривать как функцию только средней отметки уровня воды на участке, т.е.
[1]
|
|
|
|
|
F f (z) |
, |
|
|
|
(1.13) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
z |
– средние отметки уровня воды на рассматриваемом участке реки. |
||||||||||
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
z |
1 |
z |
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
m |
m 1 |
|
, |
(1.14) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
z |
, |
z |
|
– отметки уровней воды в раздельных створах, отсчитываемые от |
|||||||
m |
|
m 1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
плоскости сравнения O-O. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Это |
|
положение составляет |
|
сущность |
|
постулата |
инвариантности |
||||
(неизменности) модуля сопротивления, который иллюстрируется следующим образом (см. рис. 1.3).
Рисунок 1.3 – К постулату инвариантности модуля сопротивления
На рисунке 1.3 представлен продольный разрез расчетного участка русла, ограниченный раздельными створами m и (m+1). Пусть на данном участке при
расчете Q1 кривая свободной поверхности занимает положение |
a b |
, |
||
1 |
1 |
|||
|
|
|||
соответствует падение уровня на участке 1 , а при расходе Q2 – положение
чему
a b |
с |
||
2 |
2 |
||
|
|||
падением 2 , причем средняя отметка z уровня воды одинаковая в обоих случаях.