История мирового гидротехнического строительства

     Классификация гидротехнических сооружений и их основные виды в садово-парковом хозяйстве. История  мирового гидротехнического  строительства

     Классификация гидротехнических сооружений и их основные виды в садово-парковом хозяйстве

     Гидротехническими называют сооружения, которые создают  условия для использования природных  водных ресурсов или предупреждают (уменьшают) вредное воздействие  воды на окружающую среду (борьба с  половодьями, размытием берегов  и пр.).

     Гидротехнические  сооружения бывают различного назначения.

     По  роду водотока или водоема, на котором они построены, гидротехнические сооружения подразделяются на речные, морские, озерные, внутрисистемные и подземные.

     По  условиям взаимодействия с водотоком  или водоемом и по характеру выполняемых  функций гидротехнические сооружения делят на:

     1) водонапорные (дамбы, плотины и  др.), которые перегораживают водоток  или огораживают водохранилище  и поддерживают напор воды. Участок  водотока, который находится выше  водонапорного сооружения, называют  верхним бьефом, ниже – нижним  бьефом. Напором на сооружении  называется разница уровней воды  на верхнем и нижнем бьефах  непосредственно вблизи сооружения;

     2) водопроводящие (каналы, трубопроводы  и пр.), используемые для транспортировки  воды к местом потребления или сбрасывания ее при осушении;

     3) водозаборные используемые для  забора воды с водотоков и  водоемов;

     4) водосбросные (водоспуски и пр.), которые предназначены для сбрасывания  излишков воды;

     5) регулирующие (берегоукрепляющие сооружения и пр.) – регулирование взаимодействия потока с руслом, защиты берегов от воздействия волн и течений.

     По  целевому назначению гидротехнические сооружения делят на общего назначения, необходимы для обеспечения необходимого напора и объема водохранилища, и специальные, предназначены для обеспечения нужд одной отрасли хозяйства.

     По  условиях использования отличают постоянные, используются при постоянной эксплуатации, и временные, которые используют только в течении строительства или ремонта постоянных гидротехнических сооружений.

     Постоянные  гидротехнические сооружения подразделяют на четыре класса (I - IV). Наиболее ответственные гидротехнические сооружения относятся в первому классу.

     Объединенные  в группы несколько гидротехнических сооружение составляют гидроузлы и  гидросистемы.

     Под гидроузлом понимают группу гидротехнических сооружений, объединенных условиями  совместной работы и местоположением. В зависимости от основного назначения, определенного по ведущей отрасли  водного хозяйства, отличают: водозаборные, воднотранспортные, энергетические  и пр. гидроузлы. Гидроузлы чаще всего  бывают комплексные (водозаборно-энергетические и пр.).

     Гидросистемой называют комплекс гидротехнических сооружений, которые объединены в несколько гидроузлов и имеют линейные участки трассы (туннели, каналы) и которые могут размещаться со значительным удалением друг от друга, однако служат одинаковым водохозяйственным целям (Лошицкая водная система).

     Гидротехнические  сооружения садово-парковых объектов по целевому назначению относятся к  специальным. По характеру выполняемых функций их можно разделить на две группы:

     1) служащие для улучшения условий  отдыха людей;

     2) служащие для улучшения условий  роста растений в парковых  и лесопарковых хозяйствах.

     К первой группе гидротехнических сооружений относятся: штучные озера, водопады, пороги, каналы, каскады, ручьи, фонтаны, источники и пр.

     Ко  второй группе: хозяйственные и противопожарные  водоемы; сооружения для защиты от затопления паводковыми водами; сооружения, которые  понижают уровень грунтовых вод  и пр.

     Разделение  гидротехнических сооружений садово-парковых объектов на группы, выполняется с  учетом их основных функций.

     История мирового гидротехнического  строительства

     По  мере развития человечества сфера использования  водных ресурсов увеличивается.

     Наиболее  древним видом гидротехнического  строительства являются колодцы. Колодцы  строятся в тех местах, где существует недостаток поверхностных вод или  они отсутствуют. Глубина колодцев различна от нескольких метров до сотен. В Средней Азии известен колодец, глубина которого превышает 300 м (возвышенность Карабиль).

     В районах предгорья водообеспечения поселений строились кяризы (вертикальные колодцы, которые соединяются между собой под землей горизонтальными галереями). Самые древние из них находятся в Сирии. Средняя длина подземных галерей достигает 5-10 км, а глубина самых верхних (главных) колодцев достигает 100 м и более. Общая глубина подземных галерей в Сахаре составляет 3000 км.

     Издавна известно строительство платин. Остатки  древнейших насыпных платин, построенных в 500-600 г до н. э., найдены в Иране.

     В период создания древних садов и  парков широкое распространение  получило строительство ирригационных  систем.

     В Киевской Руси использование водной энергии проводилось с помощью  водных кругов. В феодальный период гидротехническое строительство основывалось на строительстве небольших водяных  мельниц, мелких сооружений для регулирование русел, а также для водообеспечения городов и замков. В Европе в 14 веке были построены первые судоходные шлюзы.

     В 18 и начале 19 веков в Европе началось строительство простейших гидроустановок. Строились заводские земляные и дровяные плотины. В России были построены Мариинская, Тихвинская и другие водные системы.

     В конце 19 – начале 20 веков, после изобретения  гидравлических турбин и начала устойчивого  использования электричества в  промышленности, гидротехническое строительство поднялось на новый уровень – появляются первые гидроэлектростанции. Немалый вклад принесло появление бетона и железобетона.

     В начале второго тысячелетия возрастали транспортные потребности промышленности и сельского хозяйства следовательно это привело к новому развитию транспортных путей; а рост городов – к развитию водообеспечения и канализации. В сельском хозяйстве началось проведение оросительных и осушительных работ.

     Наиболее  интенсивно гидротехническое строительство  развивается в последние десятилетия. Построены плотины высотой до 200м. построены мощные ГЭС (Волжская, Саратовская и пр.). Построен Волго  – Донской канал с комплексом сооружений для нужд водного транспорта, орошения земель и пр. В Средней Азии построены ирригационные водохранилища Андыжанское и Кировское с плотинами высотой соответственно 115 и 84 м.

     Основные  понятия кинематики и динамики жидкости. Потери напора. Формула  Шези

     Основные  понятия кинематики и динамики жидкости

     Пока  жидкость сохраняет состояние, которое  соответствует уравнению:

     р_а= р_о + ρgh

     где р_а – абсолютное гидростатическое давление, р_о – внешнее давление, ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, h – глубина опускания пункта.

     Линия струи – это линия, касательная  к которой в каждом пункте в  определенный момент времени совпадает  с направлением скорости в этом пункте. Такая скорость называется местной  скоростью u.

     Элементарной  струйкой называется бесконечно малый  объем вокруг линии струи.

     Потоком называется объем жидкости, который  движется и имеет конечные размеры. Поток состоит из бесконечно большого количества элементарных струек. Такая  модель называется струйная модель потока жидкости.

     Потоки, в которых верхняя часть поверхности  является свободной, а остальная  - намоченной, называются безнапорными (ручьи, каналы и пр.). Потоки, ограниченные со всех сторон твердыми стенками, называются напорными (труба, полностью заполненная жидкостью и пр.).

     Элементы  потока. Живым сечение называют сечение потока плоскостью, которая перпендикулярна к линии потока; площадь живого сечения потока обозначают – ω.

     Намоченный  периметр – это линия, по которой живое сечение касается стенок, которые его ограничивают; намоченный периметр обозначают буквой χ. Отношение площади живого сечения к намоченному периметру называют гидравлическим радиусом и обозначают - R.

     R = ω /  χ .

     Это величина характеризует удельную площадь  живого сечения , следует, она показывает какая часть живого сечения приходится на единицу длины намоченного периметра.

     Расходом  потока называется количество жидкости, которая проходит через живое  сечение за единицу времени:

     Q = W / t .

     Выражается  в единицах объема с деление последних  на время. Отношение расхода к  площади живого сечения называют средней скоростью потока и обозначают

     ν = Q / ω .

     Однако необходимо знать, что фактически в разных пунктах живого сечения действительные скорости различны.

     Виды  движения жидкости. По характеру скорости и расходу движение жидкости бывает установившееся и неустановившееся. Неустановившемся движением называется такое движение, при котором элементы потока (расход, глубина, давление и пр.) изменяются во времени. При установившемся потоке эти элементы постоянны.

     По  характеру перемещения по длине  потока движения жидкости делится на равномерное и не равномерное.

     Равномерным называют такое установившееся движение, при котором живые сечения  не изменяются по всей длине рассматриваемого участка потока и эпюры скоростей  во всех живых сечениях одинаковые.

     Если  при установившемся движении, которое  является обязательным условием равномерного движения, скорости вдоль отдельных струек изменяются, то такое движение называется неравномерным. Оно возникает в результате изменения размеров или формы живого сечения вдоль потока.

     Установившееся  движение, когда все линии струи  и элементарный струйки прямолинейные  и параллельны друг другу, а движение жидкости становится почти равномерным  и прямолинейным, называется плавно изменяющимся, или параллельно-струйным.

     Физическим  критерием возможности считать  движение плавно изменяемым, является очень малая величина инерционного ускорения, которое возникает в  плоскости живого сечения, в сравнении  с ускорением свободного падения  в рамках принятой точности расчета. Движение, при котором в живом сечении кроме силы тяжести действуют соизмеримые с ней инерционные силы, называется резкоизменяющимся.

     По  характеру режима движение воды подразделяют на ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим движения характеризуется передвижением воды без перемешивания струй. Такой режим наблюдается в потоках очень маленького размера при незначительной скорости течения, например, при фильтрации грунтовых вод в земной толще.

     Турбулентный  режим движения обуславливается  перемешиванием частиц воды, которые, кроме поступательного движения с большими скоростями, имеют и  вращательное движение.

     Потери  напора

     Потери  напора на преодоление гидравлических сопротивлений включают: 1) потери напора по длине потока (линейные) h_l и 2) местные потери напора  h_м , которые обусловлены резким изменением движения жидкости (вход в трубу, расширения повороты и пр.). Следует, полные потери напора на участке 1-2 будут равны сумме потерь:

     h_1-2 = Σh_l + Σh_м .

     Потери энергии по длине и местные потери имеют одинаковую физическую природу: это результат перевоплощения механической энергии в тепловую за счет преодоления касательных напряжений трения. Разница между ними заключается в том, что линейные потери нарастают по длине постепенно и обеспечивают постоянный гидравлический уклон. Это значит постоянную интенсивность потерь, а местные потери связаны с локальной концентрацией касательных усилий в зоне действия местного сопротивления.

     Потери  напора по длине в трубопроводах  чаще всего определяют по формуле  Дарси – Вейсбаха

     h_l = λ_l / d ν² / 2g , или h_l = λ_l / 4R • ν² / 2g

а в  открытых руслах – по формуле Шези

     h_{l =} ν²l / C²R .

     Где λ – коэффициент трения (коэффициент  Дарси); l, d, ν, R – соответственно длина и диаметр участка трубы, средняя скорость течения и гидравлический радиус; для круглых труб R = d / 4, или d = 4R; C – коэффициент Шези.

     Особенностями движения жидкости определяются величины коэффициентов λ и С. Связь между ними имеет такую закономерность как:

     λ =8g / C²; C = , м^0,5/с (в системе СИ).

     Коэффициент трения определяется по формулам, однако при приблизительных расчетах его  рекомендуется принимать: для чугунных и сварных стальных труб 0,02; для  бетонных и железобетонных 0,022; деревянных 0,019. 

     Местные потери напора определяются по формуле  Вейсбаха

     h_м = ξν² / 2g,

где ξ  коэффициент местного сопротивления; ν – средняя скорость в сечении, размещенного ниже по течению за этим сопротивлением.

     Значения  коэффициента местного сопротивления  берутся из справочников по гидравлике.

     При наличии в системе нескольких местных сопротивлений для определений  местных потерь напора по формуле  коэффициенты местных сопротивлений суммируются.

     Формула Шези

     В ряде случаев, особенно при расчетах безнапорных потоков, возникает необходимости определения скорости движения жидкости и другие характеристики при известных потерях энергии, а именно – по заданному гидравлическому уклону i = h_l / l. Можно использовать формулу Шези

     ν = ,

     W = C,

где W – скоростная характеристика (модуль скорости), количественно равная скорости при гидравлическом уклоне, когда он равен единице. Размерность скоростной характеристики совпадает с размерностью скорости.

     На  основе формулы Шези можно записать уравнение расхода

     Q = ωC = K ,

     K = ωC ,

     Где К – расходная характеристика (модуль расхода), количественно равная расходу при гидравлическом уклоне, когда последний равен единице. Размерности расхода и расходной характеристики одинаковые.

     Полученные  выше формулы могут также использоваться и при расчете напорных систем при равномерном движении жидкости, например трубопроводов. Потери напора при этом, если учитывать i = h_l / l , будут составлять

     h_l = ν²l/C²R = ν²l / W²; h_l = Q²l / ω²C²R = Q²l / K². 

     Гидравлический  расчет фонтанов. Водосливы

     Гидравлический  расчет фонтанов

     При гидравлическом расчете фонтанов обычно определяют высоту фонтанной струи  и расход воды в фонтане.

     Из  уравнения Бернулли известно, сто  скоростной напор

     h₀ =  ν² / 2g; следует

     ν = ,

где ν  – скорость воды при выходе с насадка, м/с; h₀ – скоростной напор, м. 

Рисунок 1. К расчету высоты подъема струи

     За  счет сопротивления воздуха высота вертикального подъема струи несколько меньше чем скоростной напор (рисунок 1) и находится по формуле

     h_ф = ν²/2g - h_ω = ν² ( 1 - ξ_стр )_/2g

или, с  учетом Q = νπd²/4, a ν = 4Q/πd²,

     h_ф = ( 1 – ξ_стр) 16Q²/2gπ²d⁴,

где Q и ν – средняя скорость и расход в выходном сечении; h_ω – потерянный напор, который обуславливается сопротивлением воздуха; d – диаметр выходного сечения; ξ_стр – коэффициент сопротивления струи; h_ф – высота фонтанной струи.

     Для определения  коэффициента сопротивления  струи (ξ_стр) в свободном полете используются различные эмпирические формулы. По Люгеру,

     ξ_стр = kh₀/ (1+ kh₀),

     где h₀ – полный напор в выходном сечении, h_{0 =} ν²/2g, k – коэффициент, равный

     k = 0,00025/ (d+1000d³),

     где d – диаметр выходного отверстия, м.

     для ориентировочных расчетов, если принять  ξ_стр = 0,1 , получим следующую формулу:

     h_ф = 0,074 (Q/d²)².

     С учетом h_ф = h₀(1- ξ_стр), преобразовав формулу получим следующую формулу h_ф = ( 1 – ξ_стр) 16Q²/2gπ²d⁴, получим формулу определения расхода в выходном отверстии:

     Q = ω ,

     где ω – площадь выходного отверстия, м².

     По  скоростному напору можно рассчитать величину манометрического давления перед  насадком (рисунок 1сечение 1-1) по формуле

     p/γ = (1+ξ_нас)ν²/2g = h₀(1+ξ_нас) = h_ф (1+ ξ_нас)/(1-ξ_нас) ,

     где ξ_нас – коэффициент сопротивления насадка.

     Также можно определить величину потерянной энергии (в процентах от напора):

     Р = 100ξ_нас/(1+ ξ_нас)

     В большинстве случаев насадок  является концевым звеном трубопровода значительной протяженности, в котором  существуют потери напора по длине  и из-за наличия местных сопротивлений. Тогда скорости струи на выходе из насадка и расход можно определить по формуле

     Q = νω_н = ω_н

     где Q – расход в выходном сечении, м³/с; ν – средняя скорость движения воды на выходе, м/с; ω_н – площадь выходного отверстия насадка, м²; H – напор в начале системы, м; ξ_нас – коэффициент сопротивления насадка; Σξ_м – сумма коэффициентов местных сопротивлений; λ – коэффициент трения; l и d – длина и диаметр трубопровода, м; d_н – диаметр выходного отверстия насадка, м.