Допускаемые скорости течения в каналах

Одной из задач гидравлического расчета каналов явля­ется определение максимальной допускаемой скорости течения, называемой неразмывающей и минималь­ной допускаемой скорости (незаиляющей):

v_нр>v>v_нз. (6-31)

Неразмывающая скорость - наибольшая скорость по­тока, при превышении которой (v>v_нр) русло начинает раз­мываться.

При теоретическом подхо­де к определению неразмыва­ющей скорости принята следующая схема механизма воз­действия потока на твердую частицу, лежащую на дне (рис. 6.13).

В большей части работ в качестве теоретической основы для определения ве­личины v_нр рассмотрены ус­ловия предельного равнове­сия или начального момента трогания отдельной частицы, находящейся на дне. В дру­гих работах использованы данные лабораторных и на­турных наблюдений.

Рис. 6.13

Об­текание частицы вызывает деформацию и отрыв струй, над частицей и за ней образуются вихревые зоны, и возникает разность давлений на лобовую и тыльную грани части­цы (рис. 6.13), а также на нижнюю и верхнюю грани, ко­торые соответственно приводятся к лобовой силе Р_Л, дей­ствующей на переднюю грань по направлению движения потока, и подъемной силе Р_П, действующей на нижнюю грань частицы вертикально вверх. На частицу, кроме то­го, действуют сила тяжести G и сила воздействия окружаю­щих частиц грунта. Равновесие рассматриваемой частицы в зависимости от ее формы и положения на дне может на­рушиться либо в результате сдвига по дну, либо в резуль­тате перекатывания ее. Если частица возвышается над остальными, на нее действует в основном лобовая сила и в меньшей мере подъемная сила. Если же частица не выступа­ет над остальными, а заклинена между ними, на нее дей­ствует лишь подъемная сила.

Так как и лобовая и подъемная силы, действующие на частицу, пропорциональны ее размеру (диаметру) d и ско­ростному напору, вычисленному по придонной скорости и _Δ на высоте выступов частиц, то условия равенства нулю суммы сил (моментов) в случае потери устойчивости при сдвиге (перекатывании) частицы приводятся к уравнению

(6.32)

Среднюю неразмывающую скорость можно найти, вве­дя в уравнение (6.32) сомножитель, характеризующий принятый (показательный или логарифмический) закон распределения скоростей по глубине потока:

(6.33)

или

(6.34)

где величину А находят из принятых условий предельного равновесия частицы с последующим уточнением по резуль­татам опытов, либо непосредственно по данным опытов; величины т, а определяют экспериментально; d - диа­метр частицы грунта; h- глубина потока.

Сложность явления взаимодействия потока и русла созда­ет значительные трудности при его анализе. В рассмотрен­ной схеме воздействия потока на частицу, лежащую на дне, не учитываются многие факторы. С помощью лаборатор­ных экспериментов и полученных по их результатам зави­симостей для неразмывающих скоростей в каналах, как отмечает В. С. Алтунин, нельзя учесть всех особенностей, встречающихся в природе, в связи с чем предпочтительны­ми являются зависимости, базирующиеся на натурных дан­ных. Этому отвечает формула, полученная Б. И. Студеничниковым по данным лабораторных и натурных исследо­ваний в широком диапазоне крупностей частиц несвязного грунта:

(6.35)

где величины d и h выражаются в метрах.

Еще более сложным является процесс размыва связных грунтов. Обстоятельные исследования в этой области были выполнены Ц. Е. Мирцхулавой. Им предложены зависимос­ти для определения неразмывающих скоростей, которые вви­ду их сложности здесь не приводятся.

Если скорости течения больше неразмывающих для грунта, слагающего русло, то возникает необходимость укрепления дна и откосов. При этом подбирают материал и тип крепления, чтобы фактическая скорость течения была меньше неразмывающей для крепления.

В настоящее время существуют различные нормы не­размывающих скоростей для сооружений. Каждое соору­жение характеризуется теми или иными особенностями, определяющими структуру потока, распределение скорос­тей, значения придонных скоростей и т. п. Поэтому задача определения неразмывающих скоростей для сооружений и на участках резкой деформации потока в каналах является весьма сложной. Ц. Е. Мирцхулава и В. А. Александ­ров предложили ее решение, исходя из принципа расчета сооружений по предельным состояниям. К нормативным значениям неразмывающих скоростей для грунтов и укреп­лений введены коэффициенты неоднородности, условий ра­боты, перегрузки, учитывающие различия между реаль­ными характеристиками грунтов и. укреплении, фактичес­кими условиями работы сооружений и нормативными.

Незаиляющая скорость. Это - скорость, при которой из потока еще не выпадают транспортируемые им взвещенные частицы. Частицы начинают выпадать из потока (заи­ливать русло) при скорости потока v<v_нз. Значение незаиляющей скорости не зависит от материала ложи канала, а определяется характеристиками потока и взвешенных в потоке наносов. Разными авторами предложены расчет­ные зависимости, для определения незаиляющих скоростей, различные по структуре и сложности, которые здесь не приводятся.

Приближенные значения незаиляющей скорости v_нз потока с гидравлическим радиусом R = 1 с массовым содер­жанием частиц диаметром d_cp>0,25 мм, составляющим менее 0,01%, приведены ниже:

d_ср, мм........0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0

v_нз, м/с....... 0,22 0,45 0,67 0,82 6,90 6,95 1,03 1,1 1,11

Если гидравлический радиус потока R ≠1 значения v_нз следует умножить на R^1/2.

При расчете коллекторов городских водостоков и кана­лизационных труб удобнее лимитировать минимальные уклоны, при которых скорости будут незаиляющими. Эти уклоны зависят от диаметра труб D:

D, мм...150 200 250 300 350 450 500 600 >700

i_min……0,07 0,05 0,04 0,033 0,03 0,02 0,015 0,015 0,01