Научная статья на тему 'Закономерности изменения гидравлических сопротивлений земляных русел каналов при эксплуатации'

Закономерности изменения гидравлических сопротивлений земляных русел каналов при эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
154
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
гидравлические сопротивления / земляные русла / КАНАЛЫ / эмпирические зависимости / Hydraulic resistance / ground channels / empirical relationships

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Косиченко Юрий Михайлович

Проведен анализ изменения гидравлических сопротивлений земляных русел в процессе эксплуатации по натурным данным наблюдений каналов юга России. Установлены характерные закономерности их изменения, получены соответствующие эмпирические зависимости, которые сопоставлены с известными формулами других авторов и натурными данными.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Косиченко Юрий Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Analysis for changes in hydraulic resistance of ground channels in operation at full-scale observational data channels for southern Russia was carried out. Typical regularities for its changes are established. Empirical dependences are received. The empirical relationships are associated with well-known formulas of other authors and field data.

Текст научной работы на тему «Закономерности изменения гидравлических сопротивлений земляных русел каналов при эксплуатации»

УДК 620.178.620.179

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗЕМЛЯНЫХ РУСЕЛ КАНАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

© 2011 г. Ю.М. Косиченко

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

The Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems

Проведен анализ изменения гидравлических сопротивлений земляных русел в процессе эксплуатации по натурным данным наблюдений каналов юга России. Установлены характерные закономерности их изменения, получены соответствующие эмпирические зависимости, которые сопоставлены с известными формулами других авторов и натурными данными.

Ключевые слова: гидравлические сопротивления; земляные русла; каналы; эмпирические зависимости.

Analysis for changes in hydraulic resistance of ground channels in operation at full-scale observational data channels for southern Russia was carried out. Typical regularities for its changes are established. Empirical dependences are received. The empirical relationships are associated with well-known formulas of other authors and field data.

Keywords: hydraulic resistance; ground channels; channels; empirical relationships.

В расчетах каналов важнейшее значение имеют гидравлические сопротивления, которые учитываются при определении основной их характеристики - расхода потока.

Гидравлические сопротивления русел каналов непосредственно входят в формулу потерь напора на трение.

Изучению гидравлических сопротивлений земляных русел каналов посвящено наибольшее количество работ: В. С. Алтунина [1], Г. В. Железнякова [2], И. Ф. Карасева [3], В. Т. Чоу [4] и других [5 - 9]. Такой интерес к земляным руслам каналов обусловлен сложностью процессов, происходящих при движении потока: различные деформации русел, русловые явления, заиление, подмывы берегов, зарастание водной растительностью, обрушение откосов.

Однако имеющиеся данные исследований земляных русел в основном касаются крупных каналов средней Азии с характерными руслоформирующими-ся процессами [1, 3, 5]. Для каналов Юга России при их эксплуатации часто превалирующими факторами, влияющими на пропускную способность, а следовательно, и сопротивление, являются местные деформации откосов и реже дна русла, значительное заиление отдельных участков и интенсивное зарастание русел растительностью в летний период [3, 9, 10].

Для анализа закономерностей изменения гидравлических сопротивлений используем данные натурных исследований по 15 каналам в основном Северного Кавказа, за исключением некоторых данных по каналам Украины, полученным эксплуатационными организациями и рядом исследователей (И. Ф. Кара-сев, И. А. Долгушев, Ю. М. Косиченко, Ю. И. Иовчу, Н. Ю. Полякова, К. Г. Гурин). При этом отдельные каналы относились к категории крупных (Большой Ставропольский канал I очередь - БСК-1, Донской

магистральный канал, Невинномысский и Терско-Кумский каналы) с расходами от 75 до 200 м3/с, а остальные - к категории средних и малых (магистральные и распределительные) с расходами от 0,1 до 25,0 м3/с. Для подавляющего большинства каналов их русла сложены из связных грунтов (суглинки, супеси). Срок эксплуатации каналов составляет от 37 до 60 лет. Вычисления гидравлических характеристик потока в руслах каналов на основании натурных данных (Q, ш, и, I) производились по следующим формулам: - коэффициент шероховатости русла у 1/ J/2

и

- коэффициент Шези по Н. Н. Павловскому

С =1 Яу ; п

- коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси)

Х =

U 2

- число Рейнольдса

Re =

4UR

где Q - расход канала; ш - площадь живого сечения; и - средняя скорость потока; i - уклон дна русла; R -гидравлический радиус; J - уклон свободной поверхности; V - кинематическая вязкость воды (1-10"6 м2/с).

Результаты собранных натурных данных по каналам в земляном русле Юга России и вычислений их гидравлических характеристик приведены в обобщенном виде на рис. 1 и 2 в качестве графиков зависимостей п = п(0), Х = Х(0), п = п(сД/Я) и Х = Х(Re). При этом отметим, что последние две зависимости

n =

V

представлены с безразмерными аргументами, что принято в современной гидравлике и механике жидкости [7].

Анализ натурных данных коэффициентов шероховатости (п) в зависимости от расходов воды в каналах (рис. 1, а) позволяет выделить две зоны распределения шероховатости земляных русел с нижней границей, соответствующей минимальным значениям п, и верхней границей с максимальными значениями п. Штриховую линию, проведенную приближенно, можно принять за границу раздела двух зон: нормального состояния русла и области повышенных коэффициентов шероховатости, обусловленных существенным влиянием различных факторов эксплуатации (деформаций русла, зарастанием, заилением).

n 0,06

0.05 0,04 0,03

0,02 0,01

0,32 0.18

0,14 0.10

0,06

\

Л А \ о А Т -1 +-11 -2 *-12 -3 0-13 -4 »-14

\ • и ■ С * -5 Ф-1 -6 -7 -я 5

т Л • Л -9 -10

♦ - т т ■ — <v> --5 '

30

60

90

а

120

150

180

Q, м7с

+ V

\ о-1 + ®-2 • А-3 с? -11 -12 -13

▼ т-4 т ®-5 ф ■ -6 «,-7 -14 -15

• • \ ♦-8 • -9 А-10

/ f ■м* ш — CJS- — ТО* -

30 60

90

120 150 180

Q, м7с

б

Рис. 1. Графики зависимостей п = п^) (а) и X = (б) для каналов в земляном русле: 1 - БСК-1; 2 - Донской МК; 3 -Азовский МК; 4 - Нижне-Донской МК; 5 - Пролетарский; 6 - Невинномысский; 7 - Терско-Кумский; 8 - Солдатский I; 9 - Сев. Донец-Донбасс; 10 - Теплушка; 11 - Солдатский II; 12 - Распределитель № 67; 13 - Баксан-Малка; 14 - Бг-Р-6;

15 - Днепр-Донбасс

Для земляных русел каналов (Азовский МК и Солдатовский I), где в процессе исследований было отмечено сильное зарастание водной растительностью (камышом) [9, 10], значения коэффициентов п достигают максимума 0,055 - 0,060, которые превышают для соответствующих расходов при нормальном состоянии земляных русел (Нижне-Донской МК, Бг-Р-6 и Солдатовский II) в 2,2 - 2,4 раза. Однако такое большое влияние зарастания каналов на коэффициен-

ты шероховатости характерно только для малых и средних каналов с расходами от 1,0 до 75,0 м3/с. Для крупных каналов при расходах более 75,0 м3/с влияние зарастания существенно уменьшается. Так, при расходах от 75,0 до 90,0 м3/с коэффициенты п максимально повышаются в 1,2 - 1,45 раза, а при Q от 90,0 до 200,0 м3/с - в 1,20 раз.

Кроме того, при одном и том же состоянии русел, в том числе нормальном, коэффициенты п с увеличением расходов снижаются. Это также подтверждается исследованиями на 1-й очереди Большого Ставропольского канала [10].

Аналогичные закономерности распределения также наблюдаются для гидравлических сопротивлений А в зависимости от расхода (рис. 1, б), числа Рей-нольдса (рис. 2, б) и для коэффициентов шероховатости п в зависимости от безразмерного параметра С/Л (рис. 2, а).

0,05 0,04 0,03 0.02 0,01

8

X 0,18

0,15

0,12

0,09

0,06

0,03

\ х о-1 +-11 е-2 4-12 а-3 0-13

^ \ ч т-4 т-14 0-5 ■ -6

S ^ ♦-8 »-9 4-10

—— с _ э-о-Т,

10

12 14

а

16

с! Г*

м

V 0—1 е-2 1-3 ч— * 9" 11 12 3

\ f • \ 4-5 ■ 6 е-7

• 1 + •-о • -9 а-10

ч ЧА

~ -D-Ch ■

-W3&—

Rex106 б

Рис. 2. График зависимостей п = п( С/^ ) (а) и X = АДе) (б) для каналов в земляном русле (обозначения те же, что на рис. 1)

Сравнение полученных графических зависимостей позволяет выявить некоторые общие закономерности изменения параметров сопротивления земляных русел каналов:

1. Зона изменчивости коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений каналов в земляных руслах при расходах от 1,0 до 75,0 м3/с имеет расширенный диапазон их значений. Далее она существенно сужается и при расходах более 75,0 -120,0 м3/с практически остается постоянной.

2. Нижняя граница зоны шероховатости и гидравлических сопротивлений представляет собой плавную

n

кривую, асимптотически приближающуюся к горизонтальной. Верхняя граница зон п и X характеризуется резким изменением кривой в начале, которая затем выполаживается и также асимптотически приближается к горизонтальной.

3. Влияние зарастания русел каналов особенно сильно проявляется вначале зон п и X при относительно небольших расходах от 1,0 до 20,0 - 30,0 м3/с. Здесь значения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений при зарастании превышают их по сравнению с нормальным состоянием русел каналов более чем в 2 раза.

При выявлении закономерностей изменения гидравлических сопротивлений земляных русел каналов важное значение имеет определение области сопротивления.

Согласно принятым в гидравлике критериям, область сопротивления для открытых потоков является квадратичной, если удовлетворяется условие Прандт-ля - Никурадзе [8, 11]

Igl^l >1,83,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(1)

где и* =^JgRJ - средняя динамическая скорость потока, м/с; А = Кэ = (25п)6 - высота эквивалентной шероховатости, м; V - кинематическая вязкость воды (при t = 20 °С, V = 1 • 10-6 м2/с); Я - гидравлический радиус, м; J - уклон свободной поверхности.

Согласно проведенным расчетам, для крупного канала в земляном русле БСК-1 (при Q = 182,6 м3/с, и = 1,17 м/с, h = 5,5 м, J = i = 0,00015, п = 0,0235, Я = 3,43 м) получим и* = 0,0710 м/с, А = 0,044 м, ^ (и*А / V) = 3,50, для малого канала Бг-Р-6 (при Q = 1,93 м3/с, и = 0,39 м/с h = 1,39 м, J = i = 0,00014, п = 0,0259) имеем и* = 0,0327 м/с, А = 0,073 м, Я = 0,78 м ^ (и*А / V) = 3,38.

Таким образом, для указанных каналов по условию (1) должна наблюдаться квадратичная область сопротивления. Аналогичная зона сопротивлений получается и для других каналов в земляном русле, данные по которым представлены на графиках п и X (см. рис. 1 и 2).

Однако, как показано в работе О. М. Айвазяна [8], для течений в земляных каналах в связных грунтах и в песчаном ложе свойственна не квадратичная, как до сих пор считалось, а смешанная (переходная) зона сопротивления. В этой зоне кривые сопротивлений в логарифмических координатах характеризуются восходящими или нисходящими кривыми связи с числами Рейнольдса ^е). В квадратичной зоне кривые сопротивлений приобретают вид прямых горизонтальных линий относительно оси абсцисс, не зависящих от числа Re.

На основании вышеизложенного требует уточнения критерий квадратичной области сопротивления (1) применительно к каналам в земляном русле.

С этой целью построим график изменения гидравлических сопротивлений от числа Re в логарифмических координатах по натурным данным для земляных русел каналов Юга России при нормальном их со-

стоянии (рис. 3). Анализ этой графической зависимости показывает, что в начальной части на значительном протяжении наблюдается осредненная нисходящая кривая связи, которая при некотором предельном значении ^ Re = 7,0 практически становится горизонтальной. Подобные кривые сопротивлений также были получены И. Ф. Карасевым [3] для ряда каналов в земляных руслах и руслах рек.

1,85 1.75

1.65 1,55 1,45 1,35

л ч V о- -1

r ч Ф- -2 ■5 "7

о т- -14

Cl г» С Ô о

о -t- I 9 0

6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7,0

lgRe

Рис. 3. График зависимости коэффициентов сопротивления X от Re для земляных русел каналов при нормальном их состоянии (обозначения те же, что на рис. 1)

Считая предельным значением между переходной и квадратичной областью сопротивления lg Re = 7,0, где использованы данные канала БСК-1 (n = 0,0226, R = 3,43, А = 0,0329 м, i = 0,00015), получим U = = 0,0710 м/с, а критерий (1) составит

-g ( ^ 'g ( ^^Г^ ] = ^

что и может быть принято за уточненное условие квадратичной зоны сопротивления для земляных русел каналов

-g ( >3,35.

Используя ранее представленные натурные данные по каналам в земляных руслах (см. рис. 1 и 2), найдем эмпирические зависимости при нормальном их состоянии (без зарастания) и при зарастании. Обработка данных и получение эмпирических зависимостей проводились с использованием пакета программ Microsoft Excel в виде степенной и полиноминальной связи.

В результате компьютерной обработки данных для каналов в земляном русле при нормальном их состоянии (без зарастания) были получены следующие зависимости:

4); (2)

-7 ГУ2 1 1 Л-4 r\ I л Г\Л 1 Л i D2

n = 0,027g-°,°4 (л2 = 0,834)

n = 2 • 10-7 Q2 -1 • 10-4Q + 0,0434 (R2 = 0,765) ;

)036-^ + 0,0651 (R2 = 0,827) ; (3) Vg

n = 0,00006

2

1 C Л

.fg.

X = 0,063Q-0,15 (R2 = 0,759) ; X = 2,707 Re-0,28 (R2 = 0,846),

v

где п - коэффициент шероховатости русла; Q - расход канала м3/с; С - коэффициент Шези, м0'5/с; X - коэффициент гидравлических сопротивлений (коэффициент Дарси); Re - число Рейнольдса.

Для практического использования могут быть рекомендованы лишь более точные формулы (2), (3) и (4), имеющие достаточно высокую достоверность аппроксимации > 0,80).

Для каналов в земляных руслах при наличии их зарастания водной растительностью могут быть рекомендованы эмпирические зависимости:

п = 0,422

Г л-1,121

1 С л

.я.

Х = 495,2 • Re"

^2 = 0,831); ,45 (R2 = 0,895) .

(5)

С целью сопоставления результатов определения коэффициентов гидравлического сопротивления каналов в земляном русле при нормальном их состоянии и при зарастании водной растительностью по рекомендуемым формулам (4) и (5) и известным формулам других авторов (И.Ф. Карасева, О.М. Айвазяна, Ю.А. Ибад-Заде, Марки, Штриклера, В. С. Боровкова и др.) проведем соответствующие расчеты и сравним с натурными данными.

Результаты расчетов коэффициентов сопротивлений X по формулам различных авторов и их отклонений от натурных данных 5Х, %, приведены в таблице.

Полученные результаты расчетов и их сопоставление с натурными данными для незаросших русел позволяет заключить, что наиболее близкие значения коэффициента X получены по формулам И.Ф. Карасева, Ю.А. Ибад-Заде и (4) (отклонение от натурных данных по ним не превышает ±11 %). По другим формулам (О.М. Айвазяна, Марки и Штриклера) отклонение от натурных данных составляет до 40 - 90 % и более. Существенное отклонение X по формуле О.М. Айвазяна от результатов натурных исследований объясняется тем, что в этой зависимости учтены данные только по каналам Средней Азии. Большое отклонение по формулам зарубежных авторов (Марки и Штриклера), на наш взгляд, объясняется недостаточным учетом в последних гидравлических условий и характеристик.

Анализ данных расчетов коэффициента X для заросших русел земляных каналов свидетельствет о большом расхождении результатов с натурными данными, за исключением формулы (5) (- 6,6 %) и И.Ф. Карасева (20,9 %). Для остальных зависимостей расхождение составляет до 85 - 450 %, что не позволяет их рекомендовать к применению для частично заросших русел каналов в условиях эксплуатации каналов Северного Кавказа.

Сопоставление расчетных значений коэффициентов гидравлических сопротивлений X по формулам различных авторов и натурных данных для каналов в земляных руслах

Канал Расчетные данные X / 5*,, % по формулам Натурные данные X

И.Ф. Карасева О.М. Айвазяна Марки Штриклера Ю.А. Ибад-Заде (4)

Для незаросших русел

Большой Ставропольский канал (БСК-1) 0,0278* 10,2 0,0203 -19,3 0,0350 39,0 0,0970 285,0 0,0224 -11,3 0,0263 4,3 0,0252

Распределительный канал Бг-Р-6 (ПК-89) 0,0596 11,6 0,0342 -93,6 0,0727 36,1 0,076 43,4 0,0596 10,9 0,0536 0,4 0,0534

Для заросших русел

Канал И.Ф. Карасева А.Д. Асановой В.С. Боровкова Н.И. Турян-ской А. Найта (5)

Распределительный канал Бг-Р-6 (ПК-82) 0,0473 20,9 0,327 446,8 0,110 83,9 0,13 122,4 0,314 425,0 0,058 -6,6 0,0597

Расчеты выполним для следующих каналов и исходных данных: канал БСК-1 в нормальном состоянии, Q = 186,15 м3/с, i = 0,00015, Re = 15,43-106, R = = hср = 3,2 м, п = 0,0226, X = 0,0252; распределительный канал Багаевско-Садковской ОС Бг-Р-6 (ПК-89) без зарастания, Q = 1,94 м3/с, i = 0,000145, Re = = 1,21 -106, п = 0,0249, X = 0,05, R = 0,75 м; для участка Бг-Р-6 (ПК-82) при зарастании Q = 2,34 м3/с, Re = = 1,32-106, п = 0,0268, X = 0,0598, i = 0,000145, R = = 0,83 м.

Выводы

1. Выявлены некоторые общие закономерности изменения гидравлических сопротивлений земляных русел каналов в процессе их эксплуатации, заключающиеся в существенном увеличении их значений для каналов, подверженных зарастанию водной растительностью, что особенно характерно для малых и средних каналов с расходом до 20 - 30 м3/с. В то же время для крупных каналов с расходами более 75 м3/с

такое влияние незначительно и в основном обусловлено деформациями русла.

2. Проведенный анализ натурных данных коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений земляных русел каналов Юга России позволил установить, что коэффициенты n земляных русел при нормальном их состоянии изменяются от 0,0210 до 0,0260, а при зарастании - от 0,0250 до 0,060, соответственно гидравлические коэффициенты X - от 0,0250 до 0,050 и от 0,0350 до 0,230.

3. Установлено, что для подавляющего количества земляных русел каналов Юга России наблюдается переходная (доквадратичная) область сопротивления, для которой получено уточненное значение критерия перехода к квадратичной области по условию Пранд-таля - Никурадзе. Очевидно, что для русел с переходной областью сопротивления не могут быть применимы широко известные в гидравлике формулы квадратичного сопротивления Н.Н. Павловского, И.И. Агро-скина, Маннинга и других авторов.

4. Предлагаемые автором эмпирические формулы для определения шероховатости и сопротивлений земляных русел каналов сопоставлены с формулами других авторов и натурными данными, что подтверждает их необходимую точность и возможность ис-

пользования для гидравлических расчетов каналов, аналогичных условиям Юга России.

Литература

1. Алтунин В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах. М., 1979. 255 с.

2. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и

рек. Л., 1981. 311 с.

3. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. Л., 1975. 288 с.

4. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов : перевод с англ., М., 1969. 464 с.

5. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах. Л., 1981. 240 с.

6. Ибад-Заде Ю.А. Водопроводные каналы. М., 1975. 192 с.

7. Айвазян О.М. Основы гидравлики равномерных течений / НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований. М.; Ижевск, 2006. 152 с.

8. Айвазян О.М. Зона гидравлического сопротивления земляных каналов // Гидротехническое строительство. 1987. № 11. С. 54 - 58.

9. Долгушев И.А. Повышение эксплуатационной надежности

оросительных каналов. М., 1975. 136 с.

10. Косиченко Ю.М. Каналы переброски стока России. / НГМА. Новочеркасск, 2004. 470 с.

11. Зегжда А.П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. Л.; М., 1975. 278 с.

Поступила в редакцию 29 марта 2011 г.

Косиченко Юрий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по науке ФГНУ «РосНИ-ИПМ». Тел. (8635)26-51-11.

Kosichenko Yuri Mihailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Deputy Director for Science FSSE «RSRILIP». Ph. (8635)26-51-11._

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.