Hmax1 =
581
ZHmax1 =
152,85
ZHmax=
+
15
,07
Zср
= 0,074Hmax2 =
806
ZHmax2 =
137,78
Построение линии свободной поверхности между гидропостами (см. рисунок 6.1) производится по отметкам максимального уровня воды, вычисленным по формуле
ZHmax i = z “0” гр .i + ZHmax i , м
где: z “0” гр. i – отметка нуля графика гидропоста, м;
ZHmax i – максимальный уровень воды, м.
Определение падения и продольного уклона в таблице 6.1.
Падение при максимальном уровне воды вычисляется по формуле
ZHmax
=
ZHmax
1
–
ZHmax
2
, м
где:ZHmax 1 – отметка максимального уровня воды в верхнем №163 г/п;
ZHmax 2 – отметка максимального уровня воды в нижнем №164 г/п.
Осреднённое падение определяется делением общего падения в метрах на расстояние между гидропостами L в километрах
Z
ср.
=
ZHmax
/
L
, м/км.
Определяется уклон водной поверхности Imax (см. таблица 6.1).
6.2 Построение линии свободной поверхности при проектном уровне, определение падения и продольного уклона
Построение линии свободной поверхности при проектном уровне между гидропостами (рисунок 6.1) производится по отметкам проектного уровня воды, вычисленным по формуле
ZH пр i = z “0” гр .i + H пр . i ,
где: Нпр. i – проектный уровень воды по гидропосту, м.
Определение падения и продольного уклона производится в таблице 6.2.
Падение при проектном уровне воды вычисляется по формуле
ZH
пр
=
ZH
пр. 1
–
ZH
пр. 2
, м,
где: ZH пр. 1 – отметка проектного уровня воды в верхнем г/п №163;
ZH пр. 2 – отметка проектного уровня воды в нижнем г/п №164.
Вычисляются осреднённое падение и уклон при проектном уровне
z
ср.
=
ZH
пр
/
L
, м/км.
Таблица 6.2 – Расчёт падений и уклонов при проектном уровне
| Наименование гидропоста | Высота нуля графика гидропоста, м | Расстояние между гидропостами по реке, км | Уровень над нулем графика, см | Отметка уровня, м | падение | Уклон | |
| Общее, м | Осредненное, м/км | ||||||
| Верхний г/п №163 | 147,04 | 205 | 195 | 149,02 |
=16,6 |
0,081 |
I= 0,000081 |
| Нижний г/п №164 | 129,72 | 205 | 270 | 132,42 | |||
Вывод:
Уклон при проектном уровне больше уклона при максимальном уровне на 0,000007.
7. Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода на исследуемом участке
7.1 Определение отметок максимального уровня
Отметки максимального уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле:
ZHmaxn
=
ZHmax
1
-
Zn
,
где ZHmax 1 – отметка максимального уровня воды на первом гидропосту;
Zn
=
Imax
*
Ln
– падение на каждом километре при максимальном уровне;
Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра;
Imax – уклон при максимальном уровне.
7.2 Определение отметок проектного уровня по уклону водной поверхности
Отметки проектного уровня воды на каждом километре исследуемого участка русла определяются по формуле:
ZH
пр.
n
=
ZH
пр. 1
-
Zn
,
гдеZH пр. 1 – отметка проектного уровня воды на первом гидропосту;
Zn
=
I
пр
*
Ln
– падение на каждом километре при проектном уровне;
Ln – расстояние от первого гидропоста до рассматриваемого километра;
I пр – уклон при проектном уровне.
7.3 Вычисление значений срезок на исследуемом участке
Вычисляются срезки по г/п
для первого поста
H
1
=
Hmax
1
–
H
пр 1
;
для второго поста
H
2
=
Hmax
2
–
H
пр 2
.
Разница между H1
иH2
меньше 5 (1,53 < 5) (см. таблица 7.1), следовательно, срезка в верхнем сечении рассматриваемого участка определяется по формуле
HB
=
(H1
+ H2
) / 2
HB
=
(3,83 + 5,36) / 2 = 4,60 м
7.4 Определение отметок проектного уровня по значениям срезки, сравнение и анализ результатов
Определение отметок проектного уровня по значениям срезки производится по формуле:
ZH
пр
n
=
ZHmaxn
-
Hn
,
где ZHmaxn – отметка максимального уровня воды каждого километра рассматриваемого участка;
Hn
– срезка для каждого километра.
Расчеты:
1) 
=76 км; 
=77км; 
=78км; 
=79км; 
=80км; 
=81км;
2) 
=0,000074*76*
=5,624 м
=0,000074*77*=5,698 м
0,000074*78*=5,772 м
=0,000074*79*=5,846 м
=0,000074*80*=5,92 м
м
3) 
4) 
:
Z
0
= 0,000081*76 * 103
= 6,156 м
Z
1
= 0,000081 *77 * 103
= 6,237 м
Z
2
= 0,000081 *78 * 103
= 6,318 м
Z
3
= 0,000081*79 * 103
= 6,399м
Z
4
= 0,000081 *80* 103
= 6,48 м
Z
5
= 0,000081 *81* 103
= 6,561 м
5)
H
пр
:
Zi
=
Z
н
-
Zi
Z 0 = 149,02 – 6,156 = 142,864 м
Z 1 = 149,02 –6,237 = 142,783 м
Z 2 = 149,02– 6,318 = 142,702 м
Z 3 = 149,02 – 6,399 = 142,621 м
Z 4 = 149,02 – 6,48 = 142,54 м
Z 5 = 149,02 – 6,561 = 142,459 м
6) 
Таблица 7.1 – Определение отметок проектного уровня
| № / № | Опреде ляемые величины | Верхний г/п №163 | № № километра | Нижний г/п №164 | |||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| 1 | ZHmax n | 152,85 | 147,226 | 147,152 | 147,078 | 147,004 | 146,93 | 146,856 | 137,78 |
| 2 | Hn
|
3,83 | 4,362 | 4,369 | 4,376 | 4,383 | 4,39 | 4,397 | 5,36 |
| 3 | ZHпр. n | 149,02 | 142,864 | 142,783 | 142,702 | 142,621 | 142,54 | 142,459 | 132,42 |
| 4 | Zn
|
- | 4,362 | 4,369 | 4,376 | 4,383 | 4,39 | 4,397 | - |
| 5 | ZHпр. n | - | 142,864 | 142,783 | 142,702 | 142,621 | 142,54 | 142,459 | - |
Вывод:
Расчёты таблицы сделаны верно, так как
Hn
=
Zn
.
7.5 Построение и анализ продольного профиля русла по оси судового хода
По отметкам максимального уровня воды проводим линию свободной поверхности для максимального уровня, по отметкам проектного уровня проводим линию свободной поверхности для проектного уровня красного цвета (см. рисунок 7.1).
Вычисляем отметки дна на каждом километре рассматриваемого участка по формуле:
Zдна =ZH пр n – hn ,
где ZHпр n – отметка проектного уровня, м;
hn – глубина по судовому ходу, м.
Отметки проектного уровня для промежуточных точек определяется пропорционально расстояниям.
Линия проектного дна проводим красным цветом по отметкам, полученным вычитанием минимальной гарантированной глубины hг из отметок проектного уровня:
Z пр дна = ZH пр n – h г
Zдна = ZHпр n – hn ,
1) Zдна 0 = 142,864 – 2,5 = 140,364 м
2) Zдна 1 = 142,783-3,4=139,383 м
3) Zдна 2 = 142,702-2,82=139,882 м
4) Zдна 3 = 142,621-2,65=139,971 м
5) Zдна 4 = 142,54-2,7=139,84 м
6) Zдна 5 = 142,459-3,4=139,059 м
Zпр дна = ZHпр n – hг
1) Zпр дна 0 =142,864 – 1 =141,864 м
2) Zпр дна 1 =142,783– 1 = 141,783м
3) Zпр дна 2 =142,702– 1 = 141,702м
4) Zпр дна 3 =142,621– 1 = 141,621м
5)Zпр дна 4 =142,54 – 1 = 141,54м
6) Zпр дна 5 =142,459 – 1 = 141,459м
Вывод:
Землечерпательные работы на исследуемом участке не требуются, так как на протяжении участка отметки глубин дна не пересеклись с отметкой проектного дна.
8. Исследование скоростного режима русла
8.1 Определение средней и размывающей скоростей течения
В природе наблюдаются два режима течения жидкостей: ламинарный и турбулентный. Режим движения жидкости зависит от скорости течения и глубины потока. Турбулентный режим бывает установившимся и неустановившимся. Движение может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении средняя скорость течения в поперечном сечении русла определяется по формуле Шези
Vср.
=
,
где С – коэффициент Шези;
R
– гидравлический радиус, R
=
w
/
, м;
I – продольный уклон водной поверхности.
Коэффициент Шези зависит от шероховатости русла, глубины потока и от формы живого сечения. Для определения этого коэффициента используем формулу Маннинга:
С = R 1/6 / n ,
В приведенных формулах
n- коэффициент шероховатости, определяемый по формуле:
n = kd 1/6 ,
k - коэффциент по В. М. Макееву равен 0,03;
d – диаметр частиц донных отложений.
R=W/-гидравлический радиус, м (для равнинных рек гидравлический радиус равен средней глубине hср=W/B);
W-площадь поперечного сечения русла,
;
-длина смоченного периметра русла, м;
В - ширина русла, м;
H - глубина потока, м;
dср - средний диаметр частиц донных отложений, мм.
Рассматривается участок р. Вилюй на 590 км:
Вычисляем площадь поперечного сечения русла по формуле
W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 , м2 ;
Смоченный периметр в поперечном сечении русла определяется:
=508 м
Теперь необходимо выполнить:
1) Определить коэффициент шероховатости русла;
2) Определить значение гидравлического радиуса;
3) Вычислить коэффициент Шези;
4) Вычислить среднюю скорость течения;
5) Построить поперечное сечение русла.
Расчеты:
1) n = 0 , 03 * 0 ,48 1/6 = 0,0264;
2) R = 477,3 / 508 = 0,94 м;
3) С = 0,941/6 / 0,0264 = 37,482 м0,5 /с;
4) V
ср.
= 37,482 *
0,34 м/с
5) см. рисунок 8.1.
Средняя скорость течения V ср на вертикали, отвечающая состоянию предельного равновесия донных частиц, когда отдельные частицы срываются с места и перемещаются, но общего движения наносов ещё нет, называется неразмывающей. Она является предельной скоростью, отвечающей началу сдвига отдельных частиц, т.е. скоростью начала влечения и может быть определена с помощью следующих зависимостей.
Формула В. Н. Гончарова, которая по данным исследований ЛИВТа даёт на песчаных перекатах наилучшие результаты
V нр = 3,9 * ( d * h / d 95 )0,2 ( d + 0,0014)0,3 ,
где h – глубина потока, м;
d – средний диаметр донных частиц, м;
d 95 – диаметр частиц с обеспеченностью 95% по кривой гранулометрического состава, т.е. такой диаметр, который оказывается превзойдённым лишь у 5% частиц, м.
V нр = 3,9 * (0,00048*1,91 / 0,00066)0,2 * (0,00048 + 0,0014)0,3 = 0,632 м/с
Скорость течения Vр , при которой движение донных наносов становится массовым, называется размывающей. Соотношение между размывающей и неразмывающей скоростями равно 1,30
V р = 1,30 * V нр , м/с,
V р = 1,30 * 0,632 = 0,822 м / с
Вывод:
Средняя скорость меньше размывающей скорости (0,34 м/с < 0,822 м/с), следовательно размыва дна в потоке не будет.
8.2 Исследование влияния на речной поток центробежных сил инерции на поворотах русла
При изменении направления потока возникают центробежные силы инерции, направленные по нормали к криволинейным линиям тока. Они приводят к образованию поперечного уклона I поп , направленного от вогнутого берега к выпуклому, и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных к основному направлению стока вод.
Поперечный уклон определяется по формуле:
,
где r – гидравлический радиус (снимается с плана), м
Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла:
H
=
I
поп
*
B
,
где B – ширина русла, м
H
=0,0000098 * 250
= 0,00245 м
Для определения величины поперечной составляющей скорости Vпоп. на вертикали, находящейся на повороте русла применяется формула К.И. Россинского и И.А. Кузьмина
V поп = [(1,53 * С2 * V ср * h ) / ( g * r )] * ( y 1/ h )0,15 * [( y 1/ h )0,3 – 0,80] , м/с,
где y 1 – высота точки над дном, м;
h – глубина потока, м.
1)( y 1/ h ) = V0,02 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,02)0,15 * [(0,02)0,3 – 0,80] = -0,017 м/с
2)( y 1/ h ) = V0,2 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,2)0,15 * [(0,2)0,3 – 0,80] = -0,009 м/с
3)( y 1/ h ) = V0,4 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,4)0,15 * [(0,4)0,3 – 0,80] = -0,002 м/с
4)( y 1/ h ) = V0,6 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,6)0,15 * [(0,6)0,3 – 0,80] = 0,003 м/с
5)( y 1/ h ) = V0,8 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (0,8)0,15 * [(0,8)0,3 – 0,80] = 0,008 м/с
6)( y 1/ h ) = V1,0 = [(1,53 * 37,4822 * 0,34 * 1,91) / (9,8 * 2250)] * (1,0)0,15 * [(1,0)0,3 – 0,80] = 0,0126 м/с
Строим эпюру скоростей течения от действия центробежной силы (см. рис. 8.3: а).
8.3 Исследование влияния на речной поток отклоняющей силы вращения Земли
Из теоретической механики известно, что всякое тело, движущееся по поверхности Земли с некоторой скоростью, испытывает ускорение, называемое кориолисовым.
В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо под прямым углом к движению тела, а в южном – влево. Под её действием в реках северного полушария частицы воды отклоняются к правому берегу и создают превышение уровня воды у правого берега по сравнению с левым, а в южном-наоборот. Что, в свою очередь, приводит к возникновению в северном полушарии поперечной циркуляции с направлением поверхностных слоёв воды к правому берегу, а донных-к левому. Совместно с продольным течением жидкости поперечная циркуляция образуется в потоке спиралеобразное движение. В северном полушарии циркуляция направлена по часовой стрелке, если смотреть по течению, и осуществляется как на прямолинейных участках русла, так и на поворотах. На поворотах русла влево она складывается с циркуляцией, вызываемой центробежной силой, а на поворотах вправо она уничтожается, ослабляя действие более мощной циркуляции, имеющей противоположное вращение и возникающей под действием центробежной силы.
Рассматриваемая поперечная циркуляция наиболее интенсивно проявляется на больших реках в период половодья, так как и скорости течения и масса воды в этот период наибольшие.
Поверхность воды на прямолинейном участке потока устанавливается нормально к равнодействующей силы Кориолиса и силы тяжести.
I
к
= (0,0001456 *
V
ср
*
sin
) /
g
,
где - географическая широта, на которой расположен исследуемый участок реки, в град. (в нашем случае = 63° С. Ш.).
I к = (0,0001456 * 0,34 * sin 63°) / 9,8 = 0,0000045
Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла:
H
=
I
к
*
B
,
где B – ширина русла, м
H
= 0,0000045*250=0,001125
Для определения поперечной составляющей Vк скорости (на вертикали), возникающей под действием силы Кориолиса, К. И. Россинский и И. А. Кузьмин предложили следующую формулу
V
к
= (2,65 *
w
* С2
*
h
*
sin
) * (
y
1/
h
)0,15
* [(
y
1/
h
)0,65
– 0,89]
, м/с,
где w – угловая скорость вращения Земли, выраженная в радианах в секунду
(w = 2 * p / (24 * 3600) = 0,0000728 рад/с)
1) (y1/ h ) = V 0,02 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (0,02)0,15 * [(0,02)0,65 – 0,89] = -0,194 м/с
2) (y1/ h ) = V 0,2 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (0,2)0,15 * [(0,2)0,65 – 0,89] = -0,183 м/с
3) (y1/ h ) = V 0,4 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (0,4)0,15 * [(0,4)0,65 – 0,89] = -0,127 м/с
4) (y1/ h ) = V 0,6 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (0,6)0,15 * [(0,6)0,65 – 0,89] = -0,069 м/с
5) (y1/ h ) = V 0,8 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (0,8)0,15 * [(0,8)0,65 – 0,89] = -0,013 м/с
6) (y1/ h ) = V 1,0 = (2,65 * 0,0000728 * 37,4822 * 1,91 * sin 63°) * (1,0)0,15 * [(1,0)0,65 – 0,89] = 0,047 м/с
По полученным данным V поп и V к строим эпюры V поп и V к и суммарную эпюру поперечной циркуляции (от действия сил центробежной и Кориолиса) (см. рисунок 8.3).
8.4 Определение расхода воды и расхода взвешенных наносов в поперечном сечении русла
Для верхнего сечения исследуемого участка определяется расход воды и расход взвешенных наносов аналитическим
29-04-2015, 00:53