Движение жидкости в открытых руслах (стр. 2 из 2)
где m = ctg α – коэффициент откоса русла.
Полукруглые или многогранные сечения применяются значительно реже, ввиду трудности их выполнения и значительной стоимости. Однако в наиболее часто встречающихся случаях земляных стенок трапецеидальные сечения редко получают форму наивыгоднейшего профиля в виде половины правильного шестиугольника с углом α= 60°, так как при этом требуется крепление боковых стенок канала. Обычно этот угол выбирается в соответствии с углом естественного откоса грунта, и задача сводится к определению при заданных площади сечения и угле откоса соотношения между шириной и глубиной, при котором смоченный периметр будет наименьшим.
Из формулы площади
, следует 
При подстановке значения b в формулу и взятии производной, значение которой при минимальном αбудет равно нулю, для соотношения b/h будет получено
Для трапецеидального гидравлически наивыгоднейшего профиля значения относительной ширины по дну приведены в таблице.
| m | 0 | 0,25 | 0,5 | 0,75 | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 4 |
| b/h | 2 | 1,56 | 1,236 | 1 | 0,828 | 0,606 | 0,,472 | 0,385 | 0,325 | 0,246 |
Таким образом, каналы гидравлически наивыгоднейшего профиля представлены относительно узкими и глубокими.
В связи с этим крупные каналы не проектируют с гидравлически наивыгоднейшим профилем. Малые каналы, особенно мелиоративные, целесообразно проектировать с гидравлически наивыгоднейшим профилем (сечением) или с профилем, близким к гидравлически наивыгоднейшему.
5. Расчетные скорости воды в канале
При проектировании каналов допускаемые скорости течения, так же как и при проектировании напорных трубопроводов, имеют большое экономическое значение, так как выбор скорости течения определяет размеры канала.
Крайние значения скоростей (минимальные и максимальные) ограничиваются двумя причинами. При малых скоростях сечение канала получается большим, что, увеличивая объем земляных работ, удорожает строительство. Кроме того, при малых скоростях происходит заиление канала вследствие оседания взвешенных в жидкости частиц. При больших скоростях сечение получается меньше. Это уменьшает объем земляных работ, однако при этом требуется более прочное покрытие стенок канала, что требует дополнительных затрат. Правильный выбор расчетной скорости, поэтому имеет большое значение. В каждом отдельном случае этот вопрос должен решаться конкретно с учетом всех местных условий.
Расчетные скорости не должны быть больше допускаемых. В качестве допускаемых принимаются скорости, неразмывающие грунт или одежды (укрепления откосов и дна) каналов. Значения их зависит от глубины и материала, из которого сложены стенки каналов.
Для определения неразмывающей скорости может быть рекомендована формула Б. И. Студеничникова, полученная по данным лабораторных и натурных исследований в широком диапазоне крупностей частиц несвязного грунта
где h – глубина.
d – средневзвешенный диаметр частиц грунта (берутся в метрах)
В то же время скорости не должны быть ниже критических значений скоростей, при которых начинается выпадение наносов и происходит заиление каналов, ведущее к их зарастанию. Эти скорости называются незаиляющими.
Незаиляющие скорости в каналах могут быть ориентировочно определены по формуле Гиршкана
где k – коэффициент, изменяющийся от 0,33 до 0,55 в зависимости oт гидравлической крупности частиц (1,5–3,5 мм/c).
Гидравлическая крупность – это скорость равномерного падения частицы в неподвижной воде.
Для предотвращения зарастания канала достаточно поддержать в нем среднюю скорость течения воды не ниже 0,5 м/с. В обычных водопроводящих каналах расчетные скорости находятся в пределах 0,5 – 3 м/с в зависимости от типа грунтов или одежды канала.
В условиях зимнего режима большой опасностью на каналах может стать глубинный лед - шуга. Основная причина появления в канале шуги - переохлаждение воды. После образования ледяного покрова дальнейшее понижение температуры воздуха вызывает лишь увеличение толщины льда, но не выделение шуги. Для быстрого образования поверхностного льда необходимо скорости течения воды в каналах на этот период уменьшить до 0,5м/с. Во избежание размыва льда нормальные скорости под ним не должны превышать 1,2-1,5 м/с. При скоростях, больших 2,25 м/с, поверхностный лед в каналах не образуется.
Выбор допустимых скоростей имеет большое экономическое значение при проектировании и эксплуатации искусственных водотоков.
Использованная литература
1. Г. В. Железняков. Гидравлика и гидрология. М.: “Транспорт”, 1989.
2. Справочник по гидравлике. Под редакцией В.А. Большакова. Киев: «Вища школа», 1977.
3. Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М.: «Машгиз»,1963.
4. Т.М. Башта. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: «Машиностроение», 1970.
5. Р.Р. Чугаев. Гидравлика. Изд.3., М.- Л.: «Энергия», 1975 г.
6. Д.В. Штеренлихт. Гидравлика. М.: «Энергоатомиздат», 1984 г.