Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Гидрофизика. Гидрология
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 368
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-010308-2
Артикул: 309600.03.01
Излагаются общие законы гидравлики. Даны основы теории равномерного и неравномерного установившегося движения воды в каналах. Приведены основные расчетные формулы. Уделено внимание гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений, их гидрологическому и гидрометрическому обеспечению. Содержатся основные сведения о гидравлике грунтовых вод и моделировании гидравлических потоков.
Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно студентам гидротехнических специальностей и инженерно-техническим работникам дорожной отрасли.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Магистратура
- 08.04.01: Строительство
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В.Т. ПАРАХНЕВИЧ ГИДРАВЛИКА, ГИДРОЛОГИЯ, ГИДРОМЕТРИЯ ВОДОТОКОВ Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для строительных специальностей высших учебных заведений (соответствует направлению подготовки 08.03.01 «Строительство») Москва «ИНФРА М» 2023
УДК [556.53+627.133](075.8) ББК 26.22я73 П18 Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Экология и рациональное использование водных ресурсов» Белорусского государственного университета транспорта; профессор Белорусского национального технического университета, доктор технических наук, профессор И.И. Леонович П18 Парахневич В.Т. Г идравлика, гидрология, гидрометрия водотоков : учебное пособие / В.Т . Парахневич. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 368 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат). ISBN 978-5-16-010308-2 (print) ISBN 978-5-16-102248-1 (online) Излагаются общие законы гидравлики. Даны основы теории равномерного и неравномерного установившегося движения воды в каналах. Приведены основные расчетные формулы. Уделено внимание гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений, их гидрологическому и гидрометрическому обеспечению. Содержатся основные сведения о гидравлике грунтовых вод и моделировании гидравлических потоков. Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно студентам гидротехнических специальностей и инженерно-техническим работникам дорожной отрасли. УДК [556.53+627.133](075.8) ББК 26.22я73 © Парахневич В.Т ., 2014 © ООО «Новое знание», 2014 ISBN 978-5-16-010308-2 (print) ISBN 978-5-16-102248-1 (online)
Оглавление Предисловие..............................................................................................................................7 Принятые обозначения. .......................................................................................................10 Введение...................................................................................................................................14 Предмет гидравлики и ее задачи.....................................................................................14 Краткая история развития гидравлики. ........................................................................15 Жидкость и ее основные физические свойства.........................................................17 Глава 1. Гидростатика.........................................................................................................22 1.1. Общие сведения.............................................................................................................22 1.2. Гидростатическое давление и его свойства. .........................................................23 1.3. Абсолютное, избыточное давление и вакуум. .....................................................24 1.4. Приборы и единицы измерения давления...........................................................25 1.5. Дифференциальные уравнения Эйлера для покоящейся жидкости.........27 1.6. Два вида основного уравнения гидростатики. ....................................................30 1.7. Эпюры гидростатического давления. .....................................................................33 1.8. Относительный покой жидкости. ............................................................................35 1.9. Сила гидростатического давления на плоскую поверхность. .......................37 1.10. Сила гидростатического давления на цилиндрическую поверхность. ....39 1.11. Закон Архимеда. Основы теории плавания тел..............................................42 Глава 2. Введение в гидродинамику.............................................................................47 2.1. Общие сведения.............................................................................................................47 2.2. Виды и методы изучения движения жидкости..................................................48 2.3. Элементы и характеристики потока жидкости..................................................52 2.4. Уравнение неразрывности..........................................................................................56 2.5. Дифференциальные уравнения Эйлера движения идеальной жидкости......58 2.6. Уравнение Бернулли для струйки идеальной и реальной жидкости........61 2.7. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. ....................................63 2.8. Геометрическая и энергетическая интерпретации уравнения Бернулли.....66 Глава 3. Гидравлические сопротивления....................................................................70 3.1. Общие сведения о потерях удельной энергии...................................................70 3.2. Основное уравнение равномерного движения...................................................72 3.3. Режимы движения жидкости....................................................................................75 3.4. Эпюра скорости и касательные напряжения . при ламинарном режиме............................................................................................77 3.5. Потери напора при ламинарном режиме движения........................................79 3.6. Характеристики турбулентного режима движения. .........................................82 3.7. Касательные напряжения в турбулентном потоке . (модель Буссинеска)....................................................................................................84 3.8. Распределение скоростей при турбулентном режиме.....................................86 3.9. Понятие гидравлической шероховатости. ............................................................89
Оглавление 4 3.10. Потери напора при турбулентном режиме движения. ..................................92 3.11. Местные гидравлические сопротивления..........................................................97 3.12. Эквивалентная длина и взаимное влияние местных сопротивлений.......101 Глава 4. Гидравлический расчет трубопроводов.................................................. 103 4.1. Классификация трубопроводов. ............................................................................ 103 4.2. Задачи по гидравлическому расчету трубопроводов.................................... 105 4.3. Оптимальный диаметр трубопровода................................................................. 108 4.4. Гидравлический расчет простого трубопровода............................................. 110 4.5. Гидравлический расчет длинных трубопроводов........................................... 114 4.6. Принцип гидравлического расчета сложных трубопроводов. ................... 117 4.7. Гидравлический удар в трубопроводах.............................................................. 121 Глава 5. Истечение жидкости через отверстия и насадки............................... 126 5.1. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке. .................. 126 5.2. Истечение жидкости через насадки. .................................................................... 129 Глава 6. Равномерное движение воды в каналах................................................ 133 6.1. Общие сведения. Классификация открытых потоков. ................................. 133 6.2. Зависимости для гидравлического расчета каналов..................................... 135 6.3. Гидравлически наивыгоднейшее сечение и допускаемые скорости в канале.......................................................................................................................... 139 6.4. Основные задачи по гидравлическому расчету каналов............................. 141 6.5. Гидравлический расчет безнапорных труб....................................................... 145 Глава 7. Неравномерное движение воды в каналах........................................... 150 7.1. Дифференциальное уравнение неравномерного . плавно изменяющегося движения жидкости в каналах. ............................. 150 7.2. Удельная энергия сечения. Критическая глубина. . Критический уклон................................................................................................... 154 7.3. Кривые свободной поверхности в каналах при неравномерном движении....................................................................................................................... 159 7.4. Интегрирование дифференциального уравнения неравномерного движения воды в каналах....................................................................................... 166 7.5. Гидравлический прыжок.......................................................................................... 171 Глава 8. Водосливы и сопряжение бьефов. ............................................................ 176 8.1. Классификация водосливов. ................................................................................... 176 8.2. Формула расхода водосливов................................................................................ 179 8.3. Сопряжение бьефов................................................................................................... 181 8.4. Сооружения для гашения энергии. ...................................................................... 185 8.5. Перепады, быстротоки и консольные водосбросы. ........................................ 189
Оглавление 5 Глава 9. Основы гидрологии суши. ............................................................................. 197 9.1. Общие сведения о гидрологии.............................................................................. 197 9.2. Круговорот воды в природе и водный баланс................................................. 199 9.3. Испарение и атмосферные осадки....................................................................... 202 9.4. Механизм образования и единицы измерения стока................................... 205 9.5. Общие сведения о болотах, озерах и водохранилищах. ............................... 209 9.6. Река и речная система.............................................................................................. 217 9.7. Питание и водный режим рек. ............................................................................... 221 9.8. Кинематика речного потока. ................................................................................... 226 9.9. Наносы и русловые процессы. ............................................................................... 231 9.10. Охрана водных ресурсов и почв......................................................................... 238 Глава 10. Введение в речную гидрометрию........................................................... 242 10.1. Общие сведения о гидрометрии. Гидрологические посты. ....................... 242 10.2. Измерение глубин.................................................................................................... 247 10.3. Измерение скоростей водотоков........................................................................ 253 10.4. Определение расходов воды. ................................................................................ 260 10.5. Измерение расхода наносов................................................................................. 265 10.6. Организация и техника безопасности гидрометрических работ. ........... 266 Глава 11. Основы гидрологических расчетов........................................................ 269 11.1. Общие сведения о гидрологических расчетах. .............................................. 269 11.2. Формирование максимальных паводков и половодий.............................. 270 11.3. Определяющие факторы стока паводков и половодий............................. 275 11.4. Вероятность превышения гидрологических характеристик.................... 276 11.5. Определение расчетного расхода по данным . многолетних наблюдений....................................................................................... 278 11.6. Подбор аналитических кривых распределения............................................ 283 11.7. Расчетный расход при недостаточности гидрологических сведений.....287 11.8. Максимальные расходы при отсутствии . гидрологических наблюдений............................................................................... 292 11.9. Минимальный сток. ................................................................................................. 301 11.10. Расчет стока с учетом аккумуляции............................................................... 303 Глава 12. Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений. ......307 12.1. Общие сведения........................................................................................................ 307 12.2. Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений................ 311 12.3. Укрепление русла верхнего и нижнего бьефов. ............................................ 318 Глава 13. Движение грунтовых вод........................................................................... 327 13.1. Общие сведения........................................................................................................ 327 13.2. Основной закон фильтрации............................................................................... 331 13.3. Равномерное и неравномерное движение грунтовых вод. ........................ 333 13.4. Частные примеры фильтрации грунтовых вод............................................. 338
Оглавление 6 Глава 14. Основы гидравлического моделирования........................................... 347 14.1. Основные понятия и определения. .................................................................... 347 14.2. Условия гидродинамического подобия............................................................ 348 14.3. Критерии динамического подобия.................................................................... 349 Приложения......................................................................................................................... 353 Список литературы............................................................................................................ 359 Предметный указатель..................................................................................................... 362
Предисловие «Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков» как общетехнический курс базируется на ранее изучаемых дисциплинах: математике, теоретической механике, сопротивлении материалов и физике. Отдельные положения курса имеют прикладной характер, что вызывает определенные сложности в изложении учебного материала. В настоящее время многие разделы курса выделились в самостоятельные науки, поэтому в учебное пособие включены только основные их положения. Рассматриваемая дисциплина является основополагающей для таких специальностей, как гидротехническое и мелиоративное строительство, мостостроение, водный транспорт. Ее положения используются в ряде других строительных специальностей. В настоящее время трудно назвать сферу инженерной деятельности, где в той или иной мере не использовались бы законы основного ее раздела — гидравлики. Сложность изучения гидравлики связана с тем, что студентам при обучении, да и в последующей инженерной деятельности приходится иметь дело в основном с твердыми телами, сохраняющими свою форму. Этого нельзя сказать о жидкости, которая в процессе движения изменяет не только форму, но и внутреннюю структуру. Одна из основных задач пособия — изложить законы гидравлических явлений, разъяснить физический смысл получаемых формул и зависимостей. В связи с дефицитом времени автор стремился не усложнять математические описания. Для более легкого усвоения учебного материала изложение сопровождается соответствующими рисунками. Пособие можно условно разделить на три части. В первой части излагаются основные законы гидравлики, которым посвящены главы 1–3. В главах 4–7 используются ранее полученные уравнения для решения типичных гидравлических задач. Эта часть пособия может быть полезна студентам многих строительных специальностей. Прежде чем излагать учебный материал по гидравлике дорожных сооружений, во второй части пособия рассматриваются необходимые сведения по гидрологии и гидрометрии водотоков (гл. 9–11). Третью часть пособия представляют главы 8 и 12; они имеют прикладное значение.
Предисловие 8 Основы динамики грунтовых вод (гл. 13) носят самостоятельный характер, поэтому помещены в конце пособия. В заключение излагаются основы гидравлического моделирования (гл. 14). Проектирование сложных и ответственных сооружений вызывает необходимость их моделирования, так как гидравлические расчеты традиционными методами могут привести к значительным ошибкам. Предлагаемое учебное пособие адресовано главным образом студентам специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги». Вместе с тем оно может быть полезно специалистам, работающим в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а также студентам других строительных специальностей. Необходимость издания пособия продиктована дефицитом учебной литературы данного профиля и ростом количества студентов строительных специальностей. Автор считает необходимым поделиться более чем сорокалетним педагогическим опытом с теми, кто желает пополнить свои знания в области гидравлики, гидрологии, гидрометрии водотоков, и в первую очередь со студентами. Значение курса гидравлики для специалистов по строительству транспортных объектов трудно переоценить. Уже на стадии проектирования отсутствие достаточных знаний по данному курсу может привести к нежелательным последствиям. Не менее важны умения применять законы гидравлики и в период строительства. Пренебрежение к основным положениям гидравлики приводит к дополнительным затратам при строительстве и ухудшает его качество. Срок эксплуатации сооружения при этом сокращается в десятки раз. В пособии излагаются только основы рассматриваемых дисциплин, которые необходимы студентам строительного профиля, поэтому оно не может полностью заменить специальные руководства по проектированию тех или иных сооружений. Вместе с тем, в результате изучения учебного материала студент получает знания, которые позволят ему в дальнейшем самостоятельно разобраться во многих практических вопросах гидравлики, гидрологии, гидрометрии водотоков. Обширные сведения по гидравлике дорожных сооружений требуют отдельного изложения в виде специального курса. В настоящее время имеется ряд литературных источников [8, 28], посвященных гидравлическим расчетам. Поэтому в целях
Предисловие 9 сокращения объема пособия примеры расчетов в нем не рассматриваются. Однако в нем приводятся таблицы и другие материалы справочного характера, с помощью которых можно решать задачи для более глубокого усвоения теоретического материала. Библиография, приведенная в конце пособия, содержит наименования только хорошо известных, общедоступных учебных пособий и технической литературы по тематике учебного пособия. Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам: доктору технических наук профессору Белорусского национального технического университета И.И. Леоновичу, заведующему кафедрой «Экология и рациональное использование водных ресурсов» Белорусского государственного университета транспорта (г. Гомель) кандидату технических наук доценту Р .Н. Востровой за ценные замечания и предложения.
Принятые обозначения А — площадь водосбора (бассейн реки), км2 Аi — площадь водосбора озер, км2 Аб — относительная заболоченность водосбора, % Ал — относительная залесенность водосбора, % Аоз — средневзвешенная озерность водосбора в долях единицы А1кр — первая критическая площадь, км2 ′ Aоз — относительная озерность водосбора, % а — ускорение, м/с2; степень наполнения трубы В — ширина канала, реки, озера, водохранилища, бассейна, м (км) b — ширина канала по дну, м С — коэффициент Шези, м0,5/с Сs — коэффициент асимметрии Сv — коэффициент вариации с — скорость распространения ударной волны, м/с d — диаметр трубопровода, частиц грунта, мм dк — глубина водобойного колодца, м Е — модуль упругости, Па; полная удельная энергия потока, м Еж — модуль упругости жидкости, Па F — сила, Н Fr (Пк) — параметр кинетичности потока, число Фруда fд — критерий подвижности дна G — вес, Н; расход наносов водотока, кг/с Gд — расход донных наносов, кг/м ⋅ с Gн — расход взвешенных наносов, кг/с Н1 % — максимальный слой осадков ВП = 1 %, мм ∆Н — погрешность измерения уровня, см h — слой стока, осадков, испарения, мм; глубина воды в канале, расстояние между изобатами, уровнями, м hв — интенсивность водоотдачи, мм/мин hл — толщина льда, см hм — метацентрическая высота, м hп — предельная интенсивность дождя, мм/мин i — гидравлический уклон iв — продольный уклон водотока iд — уклон дна канала iп — пьезометрический уклон; поперечный уклон водотока iс — уклон склона лога