Hydraulika stosowana w inżynierii środowiska

Hydraulika stosowana w inżynierii środowiska

Spis treści
Od Autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Spis ważniejszych oznaczeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Rozdział I. WIADOMOŚCI WSTĘPNE
1. Rozwój hydrauliki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. Podstawowe założenia i pojęcia w hydraulice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Podstawowe jednostki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4. Właściwości fizyczne cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.1. Gęstość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2. Ciężar objętościowy (właściwy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3. Lepkość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.4. Ściśliwość cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.5. Rozszerzalność cieplna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.6. Napięcie powierzchniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Rozdział II. HYDROSTATYKA
1. Siły działające na ciecz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1. Warunek równowagi elementu cieczy będącego pod działaniem sił . . . . . . . . . . . 20
2. Ciśnienie hydrostatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3. Podstawowe prawa hydrostatyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1. Prawo Pascala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Prawo niezależności ciśnienia
od orientacji elementu powierzchniowego (prawo Eulera) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3. Zależność ciśnienia od sił masowych. Podstawowe równanie
równowagi płynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4. Równowaga cieczy w jednorodnym polu grawitacyjnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.1. Powierzchnie jednakowych ciśnień . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5. Równowaga cieczy w naczyniach połączonych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.1. Naczynia połączone wypełnione cieczą jednorodną . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.2. Naczynia połączone wypełnione dwiema cieczami
nie mieszającymi się ze sobą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4. Przyrządy do pomiaru ciśnienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5. Parcie hydrostatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.1. Parcie hydrostatyczne na powierzchnie płaskie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2. Parcie hydrostatyczne na ściany zakrzywione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Hydraulika stosowana w Inżynierii Środowiska
5.3. Wyznaczenie parcia działającego na ścianę zakrzywioną
metodą analityczno-graficzną . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4. Analityczne określenie punktu przyłożenia wektora parcia
do ściany płaskiej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6. Równowaga ciał zanurzonych w cieczy i ciał pływających . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.1. Wypór hydrostatyczny. Prawo Archimedesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2. Warunki równowagi ciał zanurzonych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3. Wyznaczanie równowagi ciał pływających . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4. Wyznaczanie wysokości metacentrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Rozdział III. HYDRODYNAMIKA
1. Podstawowe definicje i pojęcia dotyczące ruchu cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.1. Pojęcia dotyczące ruchu cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2. Podstawowe elementy ruchu cieczy. Ruch ustalony, nieustalony,
wolnozmienny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2. Podstawowe prawa i równania hydrodynamiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1. Równanie ciągłości strumienia cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2. Równanie Bernoulliego dla strugi cieczy doskonałej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.1. Obliczenie pracy wykonanej przez siły parcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.2. Obliczenie zmiany energii potencjalnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.3. Obliczenie energii kinetycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.4. Bilans energetyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3. Równanie Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4. Praktyczne zastosowania równania Bernoulliego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3. Przepływ cieczy rzeczywistej w przewodach pod ciśnieniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1. Ruch laminarny i ruch burzliwy. Liczba Reynoldsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2. Straty liniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3. Straty miejscowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4. Obliczanie krótkich przewodów pojedynczych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5. Lewar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.1. Obliczenie dopuszczalnego wzniesienia lewara
nad zbiornikiem górnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.2. Ustalenie dopuszczalnego wzniesienia lewara
nad zbiornikiem dolnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6. Syfon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.1. Obliczenia hydrauliczne syfonów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.7. Przewód z pompą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.7.1. Szeregowe i równoległe łączenie pomp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.8. Obliczanie długich przewodów pojedynczych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9. Obliczanie układów przewodów wodociągowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Spis treści 5
3.9.1. Układ trzech przewodów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9.2. Przewody połączone równolegle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.9.3. Przewody łączone szeregowo i równolegle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.9.4. Układ przewodów z trzema zbiornikami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.10. Obliczanie przewodu równomiernie wydatkującego wzdłuż
pewnego odcinka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.11. Uderzenia hydrauliczne w przewodach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.12. Kawitacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.12.1. Sposoby zapobiegania kawitacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4. Ruch wody w korytach otwartych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.1. Klasyfikacja ruchu wody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2. Ruch wolnozmienny w korytach otwartych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3. Ruch jednostajny w korytach otwartych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.1. Obliczanie średniej prędkości przepływu i współczynnika Chézy’ego . . . 129
4.4. Obliczanie prędkości w korytach wielodzielnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.1. Obliczanie prędkości średniej w ciekach naturalnych
na podstawie wzoru Matakiewicza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5. Wymiarowanie koryt otwartych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.5.1. Dobór kształtu przekroju hydraulicznie najkorzystniejszego . . . . . . . . . . 142
4.5.2. Przekrój trójkątny symetryczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5.3. Przekrój prostokątny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5.4. Przykład wykorzystania nomogramu Błaszczyka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.6. Przewody kanalizacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.7. Ruch krytyczny, podkrytyczny i nadkrytyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.7.1. Interpretacja graficzna zależności głębokości krytycznej
od wysokości energii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.7.2. Sposoby ustalania rodzaju ruchu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.8. Odskok hydrauliczny. Głębokości sprzężone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.9. Ruch niejednostajny w korytach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.10. Obliczanie krzywej spiętrzenia w korytach nieregularnych . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5. Wypływ cieczy przez otwory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.1. Wypływ ustalony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.1.1. Wypływ swobodny przez mały otwór niezatopiony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.1.2. Wypływ z dużego otworu niezatopionego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.1.3. Wypływ z małego i dużego otworu zatopionego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.2. Wypływ nieustalony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.2.1. Określenie czasu opróżniania zbiornika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6. Przepływ przez przelewy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1. Klasyfikacja przelewów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.2. Przelewy o ostrej krawędzi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6 Hydraulika stosowana w Inżynierii Środowiska
6.3. Przelewy o kształtach praktycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.4. Przelewy o szerokiej koronie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7. Przepływ wody w gruntach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.1. Podstawowe prawa ruchu wód podziemnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.1.1. Współczynnik filtracji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.1.2. Podstawowe prawo filtracji, opór filtracji i przewodność filtracji . . . . . . . 193
7.2. Obliczanie ilości wody wypompowywanej ze studni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.1. Studnia zwykła o poziomej warstwie nieprzepuszczalnej . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.2. Studnia pochłaniająca (absorbcyjna) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.3. Studnia artezyjska (naporowa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3. Obliczanie ilości wody dopływającej do wykopu (drenu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.4. Odwodnienie wykopu za pomocą zespołu studni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8. Mosty i przepusty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.1. Obliczenia hydrauliczne mostów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.1.1. Obliczenie światła mostu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.1.2. Obliczenie głębokości rozmycia dna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.1.3. Obliczenie maksymalnego spiętrzenia wody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.2. Obliczenia hydrauliczne przepustów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.2.1. Warunki techniczne dla obliczeń hydraulicznych przepustów . . . . . . . . . . 213
8.2.2. Kolejność postępowania przy obliczeniach hydraulicznych
przepustów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.2.3. Przepusty prostokątne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.2.4. Przepusty o przekroju kołowym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.2.5. Dopuszczalny poziom spiętrzenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.2.6. Przepusty o wlocie zatopionym i przepływie pełnym przekrojem . . . . . . . 226
8.2.7. Pochylenie dna przepustu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9. Zadania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
ZAŁĄCZNIKI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263