К поперечному сечению канала предъявляются следующие требования, канал должен быть: а) - устойчив в отношении размыва и заиления и обладать статической устойчивостью; б) - обладать наибольшей пропускной способностью; в) - потери на фильтрацию должны быть минимальными.
1. Размыв в канале происходит в результате движения воды с большой скоростью, а величина скорости зависит от уклона.
Максимальная или критическая скорость зависит: от рода грунта и степени шероховатости, чем плотнее грунт и меньше шероховатость, тем больше критическая скорость; от величины гидравлического радиуса; от количества и качества наносов, мелкие глинистые наносы отлагаясь на дне канала, понижают шероховатость, а крупные наносы - повышают шероховатость и уменьшают критическую скорость.
Значение критической скорости на размыв , м/с, при гидравлическом радиусе, не равном единице, определяется по формуле Черкасова:
(1)
где .- табличное значение скорости при =1;
- гидравлический радиус;
a - показатель степени равен 0,3, но с увеличением связанности грунтов a увеличивается.
Если нет данных о гидравлических элементах канала, то критическая скорость на размыв , м/с, определяется по эмпирической зависимости Гиршкана:
(1а)
где – коэффициент, зависящий от рода грунта. Принимается для тяжелых почв - 0,60; для средних - 0,62; легких - 0,58. Можно воспользоваться и СНиПом 02-06-86 (с.23, таблица 2).
- расход нетто канала, м3/с.
Значение средней неразмывающей скорости потока , м/с, для связных грунтов при содержании солей от 0,2 до 3,0 % от массы плотного остатка абсолютно сухого грунта принимается по СНиП 02-06-86 или по таблице 1.
При движении потока по руслу канала наблюдается турбулентный режим. Наряду с горизонтальной составляющей имеется и вертикальная составляющая, которая и обуславливается взвешивание наносов.
Заиления не будет, если величина вертикальной составляющей окажется больше гидравлической крупности наносов - скорости оседания данной фракции на дно канала. Для определения транспортирующей способности потока и критической скорости в отношении заиления существует ряд эмпирических зависимостей.
Таблица 1 -Значение средней неразмывающей скорости
Примечание: Значение удельного сцепления грунта , Па/м2 или кгс/см2, для различных грунтов принято по рекомендации В.С. Алтунина и Т.А. Алиева.
Чаще других пользуются зависимостью Е.И. Замарина:
при , мм/с.
, (2)
при , мм/с.
, (3)
где - гидравлическая крупность частиц среднего диаметра, мм/с;
-скорость течения воды в канале, м/с;
- гидравлический радиус канала, м;
- уклон дна канала.
Величина незаиляющей скорости , м/с, вычисляется по формулам:
(4)
или (5)
где - эмпирический коэффициент (при равен 0,33) (СНиП 2.06.03-85, приложение 18, с.53).
Для каналов периодического действия принимается 0,3 м/с. Критическая скорость в отношении заиления зависит от глубины воды в канале, с увеличением глубины воды в канале - увеличивается, и при глубине 4 - 5 м достигает величины опасной для размыва. В глубоких каналах более 4 - 6 м может идти одновременно размыв и заиление, это неустойчивое русло. Если требуется пропустить большой расход, идут по пути увеличения ширины канала по дну.
В производственных условиях для определения коэффициента формы русла пользуются зависимостью:
(6)
где - расход, м3/с;
- коэффициент заложения откосов.
При равном 1 м3/с и равном 1, равен 2.
Русло, устойчивое в отношении размыва и заиления, имеет большую ширину и меньшую глубину, это широкое и неглубокое русло.
2. Канал может проектироваться гидравлически наивыгоднейшим, т.е. иметь максимальную пропускную способность, а это возможно при максимальном значении гидравлического радиуса.
Значение гидравлического радиуса , м, можно записать так:
(7)
Умножим и разделим выражение (7) на и обозначим через . Тогда получим: .
Обозначим через , тогда гидравлический радиус , м, запишется так:
.(8)
Но в формуле (8) имеется 2 неизвестных. Найдем значение , м, из зависимости площади живого сечения , м2:
;
и подставим в формулу (8). Тогда получим:
(9)
Чтобы найти максимальное значение гидравлического радиуса возьмем первую производную по , приравняем к нулю числитель и получим.
Подставим значение , тогда:
. (10)
При равном 1, равняется 0,82.
Русло, обеспечивающее максимальную пропускную способность, имеет большую глубину и меньшую ширину, т.е. это глубокий и узкий канал.
3. А русло, имеющее минимальный % потерь на фильтрацию, рассмотрено в лекции 17.
Все три требования противоречивы и при выборе формы поперечного сечения придерживаются одного, диктуемого конкретными условиями.
18.2 Определение параметров поперечного сечения каналов
Самотечные каналы рассчитываются по формулам равномерного движения воды в открытом русле. Основное уравнение - уравнение неразрывности струи: . Существует несколько вариантов определения параметров каналов, но чаще применяются следующие 2.
Первый вариант применяется в том случае, когда канал проектируется и рассчитывается с уклоном местности. Это самый выгодный вариант, при котором получается минимальный объем работ.
Поперечное сечение канала принимается трапецеидальным. Для расчета необходимо знать:
- максимальный стандартный расход, м3/с;
- минимальный расход, м3/с;
- форсированный расход, м3/с;
- коэффициент шероховатости, принимается по СНиП в зависимости от грунта и расхода. При < 1 м3/с для каналов непрерывного действия в земляном русле в связных и песчаных грунтах =0,025; для каналов периодического действия =0,0275; для временных оросителей - 0,030, для каналов с бетонной облицовкой = 0,012-0,014;
- коэффициент заложения откосов, принимается 1,0-1,5 по СНиП;
- расчетный уклон дна канала.
В результате расчета определяем:
- ширину канала понизу, м;
- глубину наполнения канала, м;
- фактическую скорость движения воды, которую необходимо сравнивать с критической в отношении заиления и размыва:
Канал на всем протяжении должен быть устойчив в отношении размыва и заиления. В соответствии со СНиП 2.06.03-85 допускается определять незаиляющую скорость , м/с, по формуле:
(11)
где - эмпирический коэффициент, =0,33 для <1,5 мм/с;
Величину допустимой неразмывающей скорости , м/с, определяем по формуле:
(12)
где - коэффициент, зависящий от рода грунтов, равный для легких суглинков 0,58, средних - 0,62, тяжелых - 0,68.
Расчетная скорость в канале , м/с, принимается равной:
Определяем:
- площадь живого сечения , м2:
(13)
- смоченный периметр, м:
, (14)
- гидравлический радиус , м:
, (15)
- коэффициент Шези , м0,5/с:
. (16)
Для практических расчетов значение коэффициента Шези допускается принимать по гидравлическим справочникам. Для приближенных расчетов допускается значение у=1/6 или
при и при
Задача решается подбором. Задаемся стандартной шириной и для различных глубин определяем последовательно и расходную характеристику (модуль расхода) , м3/с:
(17)
Расчеты сводим в таблицу.
Таблица 1 - Гидравлические элементы канала
м
,
м
,
м2
,
м
,
м
,
м3/с
На основании таблицы строим график зависимости , а затем находим значения расходных характеристик (модулей расхода) , , , м3/с, по формуле:
(17 а)
где - расчетный расход, м3/с, подставляем, соответственно, , , .
По графику находим соответствующие значения глубин, при которых обеспечивается пропуск максимального, минимального и форсированного расходов. Затем определяем скорость воды в канале при пропуске форсированного или максимального (если канал не форсируется) расхода воды и сравниваем ее с критической скоростью в отношении размыва, а если же условие не выполняется, т.е. в канале идет размыв или заиление, следует рассчитывать канал по второму варианту.
Второй вариантИзвестны следующие величины: , а в результате расчета определяем
Если в канале происходил размыв, то , а если заиление, то м/с.
Расчет ведется в следующей последовательности. Определяем значение площади живого сечения , м2, при :
(18)
и глубину , м:
. (19)
Затем находим по формулам (14,15,16) и определяем расчетное значение уклона:
. (20)
Если канал форсируется, то определяем , а затем и по графику и .
Приизвестных величинах и , расчёт , и ведется в следующей последовательности.
Определяется (21)
(22)
Все величины известны, тогда:
. (23)
Округляем ширину по дну до стандартного значения , и определяем и .
Если канал сложного, полигонального сечения (рисунок 1), то определяется ширина канала по верху.
(24)
Площадь живого сечения , м2 , складывается из 2 величин:
(25)
(26)
Определяется смоченный периметр:
(27)
Дальнейший расчет производится так же, как для каналов трапецеидального сечения.
В сложных топографических и геологических условиях, на участках, где каналы проходят в насыпи, следует проектировать лотковую оросительную сеть.
Гидравлический расчет лотков параболического сечения выполняем по формулам равномерного движения. При бурном режиме потоков затрудняется распределение воды, поэтому лотки параболического сечения не следует проектировать с уклоном больше критического =0,0035 (при =0,012).
Площадь живого сечения , м2, для параболического сечения определяется по формуле:
(28)
где - ширина лотка по верху, м;
- глубина воды в лотке, м.
Ширину B можно определить из уравнения параболы, проходящей через начало координат:
(29)
где - параметр параболы. Для лотков с глубиной <1 м, =0,2; при >1 м, =0,35.
Определяем смоченный периметр , м
(30)
где - коэффициент:
(31)
где
Все расчеты сводим в таблицу 2.
Таблица 2 - Гидравлические элементы лоткового канала
м
,
м
,
м2
м
,
м
,м3/с
,
м/с
По данным граф 1, 7 и 8 строим графики зависимости и и определяем глубину наполнения лотка и .
Полная высота лотка , м, равна:
(32)
где - превышение верха лотка над уровнем воды, принимается в зависимости от скорости и глубины воды в лотке.
Если <1 м/с и <1,0 м, то =10 см,
если >1 м/с и >1,0 м, то =10 - 20 см.
Полученная высота округляется до стандартной - 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 и 120.
Лотковая сеть проектируется на внутрихозяйственных каналах, работающих периодически, поэтому они не форсируются.
Гидравлический расчет можно выполнить с использованием ЭВМ и микрокалькуляторов. Программа этих расчетов изложена в методических указаниях. Имеется также номограмма для гидравлического расчета лотков параболического профиля.
зависит: от рода грунта и степени шероховатости, чем плотнее грунт и меньше шероховатость, тем больше критическая скорость; от величины гидравлического радиуса; от количества и качества наносов, мелкие глинистые наносы отлагаясь на дне канала, понижают шероховатость, а крупные наносы - повышают шероховатость и уменьшают критическую скорость.
(1)
.- табличное значение скорости при 
=1;
(1а)
– коэффициент, зависящий от рода грунта. Принимается для тяжелых почв - 0,60; для средних - 0,62; легких - 0,58. Можно воспользоваться и СНиПом 02-06-86 (с.23, таблица 2).
- расход нетто канала, м3/с.
, м/с, для связных грунтов при содержании солей от 0,2 до 3,0 % от массы плотного остатка абсолютно сухого грунта принимается по СНиП 02-06-86 или по таблице 1.
, м
, мм/с.
, (2)
, мм/с.
, (3)
- гидравлическая крупность частиц среднего диаметра, мм/с;
-скорость течения воды в канале, м/с;
- уклон дна канала.
, м/с, вычисляется по формулам:
(4)
(5)
- эмпирический коэффициент (при 
равен 0,33) (СНиП 2.06.03-85, приложение 18, с.53).
пользуются зависимостью:
(6)
- расход, м3/с;
- коэффициент заложения откосов.
и обозначим 
через 
.
через 
, тогда гидравлический радиус 
.(8)
, м2:
; 
(9)
. (10)
. Существует несколько вариантов определения параметров каналов, но чаще применяются следующие 2.
- максимальный стандартный расход, м3/с;
- минимальный расход, м3/с;
- форсированный расход, м3/с;
- коэффициент шероховатости, принимается по СНиП в зависимости от грунта и расхода. При 
- расчетный уклон дна канала.
- ширину канала понизу, м;
- фактическую скорость движения воды, которую необходимо сравнивать с критической в отношении заиления и размыва:
, м/с, по формуле:
(11)
- эмпирический коэффициент, 
<1,5 мм/с;
(12)
- коэффициент, зависящий от рода грунтов, равный для легких суглинков 0,58, средних - 0,62, тяжелых - 0,68.
, м/с, принимается равной:
, м2:
(13)
, м:
, (14)
, (15)
, м0,5/с:
. (16)
при 
и 
при 
и расходную характеристику (модуль расхода) 
, м3/с:
(17)
,
м2
,
м3/с
, а затем находим значения расходных характеристик (модулей расхода) 
, 
, 
, м3/с, по формуле:
(17 а)
- расчетный расход, м3/с, подставляем, соответственно, 
, 
глубин, при которых обеспечивается пропуск максимального, минимального и форсированного расходов. Затем определяем скорость воды в канале при пропуске форсированного или максимального (если канал не форсируется) расхода воды и сравниваем ее с критической скоростью в отношении размыва, а если же условие не выполняется, т.е. в канале идет размыв или заиление, следует рассчитывать канал по второму варианту.
, а в результате расчета определяем 
, а если заиление, то 
м/с.
, м2, при 
(18)
, м:
. (19)
и определяем расчетное значение уклона:
. (20)
и по графику 
и 
.
и 
ведется в следующей последовательности.
(22)
. (23)
и 
(24)
(25)
(26)
(27)
В сложных топографических и геологических условиях, на участках, где каналы проходят в насыпи, следует проектировать лотковую оросительную сеть.
=0,0035 (при 
(28)
- ширина лотка по верху, м;
Ширину B можно определить из уравнения параболы, проходящей через начало координат:
(29)
- параметр параболы. Для лотков с глубиной 
, м
(30)
- коэффициент:
(31)
,
м2
м
,
м/с
и 
и определяем глубину наполнения лотка 
и 
.
, м, равна:
(32)
- превышение верха лотка над уровнем воды, принимается в зависимости от скорости и глубины воды в лотке.