Trasporto di sedimenti e sua determinazione (con diagramma)
Leggi questo articolo per conoscere le due categorie di sedimento trasportate dall'acqua e la sua determinazione.
(1) sedimento sospeso :
Le particelle di suolo che vengono trasportate dall'acqua senza entrare in contatto con il fondo del canale sono chiamate sedimenti sospesi. Le particelle sono tenute in sospensione dal componente verso l'alto della corrente turbolenta. È certamente vero che alcune particelle cadono sul letto mentre alcune particelle vengono catturate dal flusso. Nel flusso turbolento i vortici in aumento trasferiscono i sedimenti dagli strati inferiori di concentrazione dei sedimenti pesanti verso l'alto. D'altra parte le particelle si depositano sotto la forza di gravità.
In condizioni stabili i sedimenti trasferiti salgono verso l'alto con quelli caduti sul fondo. Anche il peso del sedimento sospeso esercita una pressione aggiuntiva sul letto del canale che è in eccesso rispetto alla pressione del fluido. La concentrazione del carico sospeso 'C' ad un'altezza y sopra il fondo può essere determinata dalla concentrazione nota in un punto di riferimento in altezza "a" sopra il fondo. L'equazione data è
dove D è profondità d'acqua
w è, velocità di caduta di un grano in acqua ferma
K è la costante universale di Von Karman = 0, 4
V è velocità di taglio = √τ 0 / p
p è la densità media dell'acqua e
τ 0 è l'intensità dello sforzo di taglio in basso
La valutazione del carico totale di sedimenti per metro di larghezza del canale può essere effettuata integrando il prodotto di velocità e concentrazione sull'intera profondità.
(2) Carico letto :
È quella parte di sedimento che si muove lungo il fondo del canale. I grani avanzano rotolando, scivolando o saltando lungo il letto. Il movimento dei sedimenti lungo il letto è dovuto principalmente alla resistenza del fluido. È la componente tangenziale totale del peso dell'acqua nella lunghezza unitaria del canale.
È dato dall'espressione:
trascinamento del fluido = v W AS .... (1)
dove v W = è il peso unitario dell'acqua;
A è una sezione trasversale; e
S è la pendenza del letto
La forza di trazione è la resistenza del fluido per unità di superficie ed è data dividendo A dal perimetro bagnato P.
Quindi, τ 0 = v W RS
Per canali ampi R = D
τ 0 = v W DS
Quando il valore della forza di trazione è tale che i grani iniziano a muoversi, viene chiamato forza di trazione critica ed è indicato con il termine 'τ cr '.
Per canali larghi con letto liscio τ cr è dato dalla relazione
τ cr = 0, 047 (v - v w ) d
dove v è il peso unitario del sedimento e
d è il diametro del grano.
Quindi si può vedere che la velocità del trasporto del carico del letto è una funzione della differenza tra X e X. Naturalmente non è così semplice in avanti perché con una forza di attrazione maggiore le forme del letto subiscono cambiamenti e si formano increspature. Queste increspature creano resistenza alla forma e assorbono parte della forza di trazione. Due equazioni generalmente utilizzate nel determinare il tasso di trasporto del carico a letto sono date da Meyer-Peter ed Einstein.
L'equazione di Meyer-Peter:
Si afferma che il carico letto trasportato dall'acqua in chilogrammi per metro di larghezza è dato dall'equazione
qB è la velocità di trasporto del carico letto in kg / m / ora.
τ 0 è l'intensità della forza di trazione sul letto in kg / m2
n 'è il coefficiente di Manning per i grani su un semplice letto senza increspature. Può essere ottenuto dall'equazione
n '= (Ks) 1/6 / 76
K s è un diametro del grano efficace in mm. È uguale al diametro medio del grano per grani uniformi ravvicinati. Può essere preso come d 65 o il valore del diametro rispetto al quale il 65% del materiale è più fine per sabbie graduate.
n è il valore effettivo del coefficiente di equipaggio sul letto con le increspature.
τ cr è la forza di trazione critica in kg / m 2
Equazione di Einstein:
Einstein adottò un approccio statistico e derivò la funzione di carico del letto per il tasso di equilibrio del trasporto del carico del letto quando il numero di particelle depositate e sgretolate era lo stesso. Egli ha equiparato la probabilità di erosione della particella alla probabilità che il peso della particella sollevata sia inferiore al peso sommerso. Nel ricavare questa equazione ha fatto numero di ipotesi e adottato molti coefficienti sperimentali. La probabilità P del movimento delle particelle del letto è data da lui come
Nella relazione sopra tutti i parametri come ɸ, Ψ, Ƞ 0, A, B sono costanti. Ψ, è un parametro di taglio adimensionale mentre ɸ è un parametro di trasporto adimensionale.
Quando il materiale del letto è costituito da materiale a grana uniforme, vari parametri si riducono a ɸ = ɸ e Ψ = Ψ e così via.
Poiché la relazione di cui sopra è ingombrante, ha ulteriormente correlato due parametri adimensionali ɸ e Ψ as ɸ = f (Ψ) per scopi pratici.
Per il materiale del letto uniforme la relazione era rappresentata da una curva su un grafico semi-logaritmico con equazione
0, 465 ɸ = e -0, 391 Ψ
Dava valore a ɸ seguendo l'equazione:
Dove
G è la gravità specifica dei grani;
d è il diametro dei grani;
g è l'accelerazione dovuta alla gravità
v w è il peso specifico dell'acqua
Altri simboli hanno i significati simili già dati in precedenza.
Inoltre, ha dato una relazione per ɸ come
Ψ = (G - 1) d / R'S
Dove
R 'è il raggio medio idraulico che esisterebbe se il letto fosse privo di leganti. Quando il coefficiente di rugosità utilizzato rappresenta la ruvidità granulare, solo R 'può essere calcolato dall'equazione di Manning.
Per semplificare la procedura ha dato una curva sulla carta log-log come ɸ = f (Ψ) per l'uso lavorativo ed è riportata in Fig. 9.5.
Relazione di Einstein-Brown:
Brown ha tracciato i dati sulla trama del log-log e ha rilevato che tutti i dati si riducono a una singola funzione lineare del modulo
ɸ = 40 / (Ψ) 3
Questa relazione si rivela utile anche nel calcolo del trasporto del carico a letto in alcuni casi. Problema 9.7. In un canale ampio e variabile la concentrazione di carico sospeso è risultata di 500 ppm a 0, 4 m sopra il letto. Se la velocità di caduta di un grano in acqua calma è 0, 04 m / sec e la pendenza del letto del canale è 1 su 4500, determinare la concentrazione del carico sospeso a 0, 8 m sopra il letto del canale. Prendi la profondità di flusso di 2 m.
Soluzione:
Fase 1. C a a 0, 4 m sopra il letto = 500 ppm = 500 x 10- 6 x 10 3 = 0, 5 kg / m 2
Problema:
Utilizzando l'equazione di Meyer-Peter calcolare la quantità di carico letto trasportata dall'acqua in un ampio canale avente le seguenti dimensioni:
