Министерство транспорта Российской Федерации копия1. Анализ русловых переформирований и исследование скоростного режима
 Скачать 146.24 Kb.
|
|
4.5 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 в плане (см. рис.4.5) в сторону вогнутого берега. Они приводят к образованию поперечного уклона Iпоп. и поперечных составляющих скорости, перпендикулярных основному направлению течения воды. Величину центробежной силы определяют как Fцб = mV2/r, (4.13) где m - масса, кг·с2/м; V - средняя продольная скорость, м/с; r - радиус закругления, м (измеряется на плане). Поперечный уклон определяется по формуле Iпоп. С2Ih/r·g (4.14) Превышение уровня воды у вогнутого берега над выпуклым определяется произведением поперечного уклона на ширину русла: ∆Н = Iпоп·В (4.15) Для определения величины поперечной составляющей скорости Vпоп. на вертикали, находящейся на повороте русла, предложено несколько формул (В.М. Маккавеевым, М.В. Потаповым, К.И. Россинским, И.А. Кузьминым и др.). Приведем формулу К.И. Россинского и И.А. Кузьмина: Vпоп. = 1,53V(Iпоп /I) (y1/h)0,15 [(y1/h)0,3 - 0,80], м/с (4.16) где у1 - высота точки над дном, м; h - глубина потока на вертикали, м. Порядок расчета: Исходные данные:
Формула Шези V = С√RI = 40√3*7*10-5 = 0,58 м/с вычисляются поперечный уклон (4.14) Iпоп. =402 *7*10-5*3 /500·9,8 = 0,07·10-5 превышение уровня воды у вогнутого берега (4.15) ∆H =0,07·10-5·200 = 0,14 м; определяются на вертикали величины скоростей поперечной циркуляции (4.16) Vпоп. 0 = 1,53*0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (0/3)0,15 [(0/3)0,3 - 0,80]= = 0,116 м/с Vпоп. 0,1 = 1,53*0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (0,1/3)0,15 [(0,1/3)0,3 - 0,80]= = - 0,399 м/с Vпоп. 0,5 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (0,5/3)0,15 [(0,5/3)0,3 - 0,80]= = - 0,156 м/с Vпоп. 1,0 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (1,0/3)0,15 [(1/3)0,3 - 0,80]= = - 0,069 м/с Vпоп. 1,4 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (1,4/3)0,15 [(1,4/3)0,3 - 0,80]= = 0,119 м/с Vпоп. 2,0 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (2,0/3)0,15 [(2/3)0,3 - 0,80]= = 0,172 м/с Vпоп. 2,5 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (2,5/3)0,15 [(2,5/3)0,3 - 0,80]= = 0,208 м/с Vпоп. 3 =1,53·0,6(0,07*10-5 /7*10-5 ) (3/3)0,15 [(3/3 )0,3 - 0,80]= = 0,241 м/с По этим значениям строится эпюра скорости поперечной циркуляции (см. рис. 4.6). Эпюра скорости поперечной циркуляции 4.6 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, горизонтальная составляющая которого равна k = 2·m w·V·sin φ, (4.17) где φ - широта места w - угловая скорость вращения Земли; V - скорость движения тела. Это ускорение, умноженное на массу тела m, дает силу, называемую силой Кориолиса: К = 2·w·V·sin φ (4.18) В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо под прямым углом к движению тела, а в южном - влево. Под ее действием на 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. Это, в свою очередь, приводит к возникновению в северном полушарии поперечной циркуляции с направлением поверхностных слоев воды к правому берегу, а донных - к левому. Совместно с продольным течением жидкости поперечная циркуляция образует 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. Аналогично вышеуказанному определению поперечного уклона на закруглении русла получим следующее выражение для поперечного уклона: Iк = k/ g (4.19) Угловая скорость вращения Земли, выраженная в радианах в секунду равна: w = 2π/ (24·3600) = 0,0000728 рад/ с (4.20) Подставляя это выражение в формулу (4.15), получим: k = 0,0001456·V·sin φ (4.21) Тогда формула для поперечного уклона будет иметь вид: Ik = (0,0001456 V·sin φ)/ g (4.22) Превышение уровня воды у правого берега над левым (в северном полушарии) определяется произведением поперечного уклона на ширину русла: ∆Н = Ik · B (4.23) Для определения поперечной составляющей Vк скорости (на вертикали), возникающей под действием силы Кориолиса, К.И. Россинский и И А. Кузьмин предложили следующую формулу: Vк = (2,65·w·h·C2·sin φ)(y1/ h)0,15 [(y1/h)0,65 - 0,89], м/с. (4.24) где C – коэффициент Шези. Порядок расчета: Исходные данные:
k=1,059*10-4 Ik =1,059*10-4 / 9,8 =1,081*10-4; 2) определить по формуле (4.24) скорости поперечной циркуляции, возникающей под действием силы Кориолиса Vк 0,1 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(0,1/5)0,15·[(0,1/5)0,65 - 0,89)] = - 0,218 м/с Vк 1 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(1/5)0,15·[(1/5)0,65 - 0,89)] = - 0,204 м/с Vк 1,4 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(1,4/5)0,15·[(1,4/5)0,65 - 0,89)] = - 0,181 м/с Vк 2 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(2/5)0,15·[(2/5)0,65 - 0,89)] = - 0,143 м/с Vк 2,5 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(2,5/5)0,15·[(2,5/5)0,65 - 0,89)] = - 0,110 м/с Vк 3 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(3/5)0,15·[(3/5)0,65 - 0,89)] = - 0,077 м/с Vк 3,5 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(3,5/5)0,15·[(3,5/5)0,65 - 0,89)] = - 0,044 м/с Vк 4 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(4/5)0,15·[(4/5)0,65 - 0,89)] = - 0,012 м/с Vк 4,5 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(4,5/5)0,15·[(4,5/5)0,65 - 0,89)] = 0.020 м/с Vк 5 = (2,65·0,0000728·5·282·sin400)·(5/5)0,15·[(5/5)0,65 - 0,89)] = 0,053 м/с 3)построить эпюру поперечных скоростей (см. рис. 4.6) Эпюру поперечных скоростей Вывод: сила Кориолиса и центробежная сила направлены в одну сторону, значит эпюры скоростей суммируются. 5. Анализ русловых переформирований 5.1 Описание участка По планам участка съемки (см. приложение 1) производится его описание, включающее следующее: 1) название участка или переката: р. Лена, перекат Еловский. 2) наличие островов или осерёдков: - на 2014,6 километре находится остров размерами 2600 - 300 м. - на 2013,2 километре находится остров размерами 1220 - 180 м. - на 2005,4 километре находится остров размерами 1450 - 200 м. 3) гарантированная глубина на перекате: 2,2 м. 5)минимальная и максимальная ширина русла между нулевыми изобатами: Bmax = 620 м Bmin = 180 м 6) минимальная и максимальная ширина русла между изобатами гарантированной глубины: Bmax = 580 м Bmin = 120 м 7) минимальная и максимальная глубина по линии судового хода: hmax = 8,5 м hmin = 3,1 м ЛИТЕРАТУРА 1. В.В Шамова. Русловые изыскания: учебное пособие. - Новосибирск: Из-во Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2011. 2. В.В. Шамова. Гидрология: учебник / В.В. Шамова. Под редакцией д-ра техн. наук, профессора, «Заслуженного работника высшей школы РФ» В.А. Седых. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2010. 3. В.В Шамова. Русловые изыскания: методические указания по курсовой работе / В.В Шамова. Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2010. |