Контрольная работа по "Геология"

       1. Гідростатичний тиск. На рідину в стані спокою діють зовнішні сили двох видів: масові і поверхневі. Масові сили пропорційні масі рідини. Це сили ваги і сили інерції. До поверхневих відносяться сили, що діють на поверхні об’ємів рідини, наприклад тиск атмосфери на поверхню рідини у відкритій посудині, тиск пари на поверхню рідини в паровому казані й ін.

        Розглянемо деякий об’єм рідини, яка знаходиться в стані спокою в посудині довільної форми (рис. 1). Умовно розділимо цей об’єм на дві частини довільною площиною ABCD і відкинемо верхню частину. Для збереження рівноваги нижньої частини до площини АВСD необхідно прикласти сили, які замінять дію верхньої частини об’єму рідини на нижню. З цією метою візьмемо на площині ABCD довільну точку а і виділимо біля неї малу площадку ω. У центрі цієї площадки прикладемо силу Р, що представляє собою рівнодійну всіх сил, прикладених до різних точок площадки ω.

       Якщо  величину сили Р розділити на величину площадки ω, то одержимо середнє значення тиску на одиницю площі:

       p_ср= Р/ω.                                                     (1.16)

       У гідравліці силу Р називають сумарною силою гідростатичного тиску, а Р/ω — середнім гідростатичним тиском. Якщо площадку ω зменшувати, то її величина буде наближатись до нуля, а середній гідростатичний тиск — до деякої межі, що виражає гідростатичний тиск у даній точці:

        .                                             (1.17)

       Розмірність гідростатичного тиску — ньютон на квадратний метр (Н/м²); цю одиницю називають Паскаль (Па).

       Гідростатичний  тиск володіє трьома властивостями.

       Перша властивість. Гідростатичний тиск завжди спрямований по внутрішній нормалі до площадки, на яку він діє (до площадки, а не від її).

       Розглянемо  деякий об’єм рідини в стані спокою, всередині якого проведена поверхня S-S (рис. 2). Візьмемо на цій поверхні довільну точку А. Припустимо, що гідростатичний тиск у точці А спрямований не по нормалі до площадки, на якій розташована точка А. У цьому випадку гідростатичний тиск p можна розкласти на дві складові: нормальну р_n і дотичну р_t до поверхні S-S. Враховуючи, що рідина не здійснює опору дотичним напруженням, складова р_t повинна бути рівною нулю і, отже, гідростатичний тиск може бути спрямований тільки нормально до площадки.

        Доведемо тепер, що гідростатичний тиск може бути спрямований тільки по внутрішній нормалі. Для цього припустимо, що гідростатичний тиск спрямований по зовнішній нормалі, як це показаний на рис. 2 у точці В. Але, оскільки рідина не здійснює опору напругами розтягу, частинки її повинні були б прийти в рух, що також суперечить прийнятій умові про перебування рідини в спокої. Отже, гідростатичний тиск може бути спрямований тільки по внутрішній нормалі, тобто гідростатичний тиск завжди буде тиском стискаючим.

       Друга властивість. Гідростатичний тиск діє однаково в усіх напрямках, тобто не залежить від кута нахилу площадки, на яку він діє.

       Для доказу цієї властивості виділимо в  об’ємі рідини, що знаходиться в  рівновазі, довільну точку A. Приймемо цю точку за початок ситеми прямокутних координат і побудуємо біля неї нескінченно малий тетраедр (рис. 3). Сили гідростатичного тиску, що діють на грані тетраедра, позначимо відповідно P_x, P_y, P_z, P_n.

       Сили  тиску, що діють на грані, спрямовані по внутрішніх нормалях до них і  рівні:

P_x=p_x (dydz/2);    Р_у = р_у (dzdx/2);    P_z = р_z (dxdy/2);    Р_п = p_ndF,

       де  р_х, р_y, р_z, р_n – середні гідростатичні тиски, що діють на відповідні грані.

       Крім  сил тиску на тетраедр діє масова сила G, проекції якої на осі x і y дорівнюють нулю, а проекція на вісь z дорівнює dxdydzγ/6. Внаслідок малості цієї нескінченно малої величини в порівнянні із силами гідростатичного тиску нею можна зневажити і надалі не враховувати.

       Гідростатичний  тиск діє на всі грані нескінченно  малого тетраедра з однаковою  силою і, отже, не залежить від кута нахилу грані тетраедра.

       Третя властивість. Гідростатичний тиск у точці залежить від її координат у просторі, тобто р = f (x, у, z). Ця властивість не вимагає спеціального доведення, тому що очевидно, що зі збільшенням глибини занурення точки під рівень рідини тиск у ній зростає і, навпаки, зі зменшенням глибини занурення точки – тиск у ній падає.

    2. Мета і зміст гідрологічних і гідрометричних досліджень дорожніх споруд

    Гідрологічні  і гідрометричні дослідження, проведені  разом з геодезичними і геологічними, складають основу інженерних вишукувань для будівництва доріг, мостів і інших споруджень. Ці дослідження виявляють умови, які треба враховувати при проектуванні, будівництві й експлуатації доріг, у техніко-економічному обґрунтуванні траси і споруджень на ній.

    Гідрометричні роботи дають той або інший  обсяг характеристик потоку, їхньої особливості і ступінь мінливості. Наступні гідрологічні розрахунки дозволяють на їхній основі встановити розрахункові витрати, рівні, характеристики зимового режиму й інші елементи потоку для проектованого спорудження.

    Перераховані  розрахункові значення покликані забезпечити  однакові рівні умови експлуатації для споруджень одного типу і розмірів на різних водостоках. Це досягається  завдяки єдиним величинам імовірності  перевищення (ВП) у відсотках розрахункових характеристик. У період будівництва характерні рівні високих вод, льодоходу, межені й ін., терміни їхнього настання диктують черговість і час виконання окремих видів робіт, впливають на вибір технології зведення об'єктів мостового переходу. Його експлуатація також залежить від гідрологічних особливостей ріки, що визначають пропуск льодоходу, організацію руху на затоплюваних заплавних ділянках насипів, обстеження окремих споруджень і ремонт ушкоджених елементів.

    Обсяг, склад і характер гідрометричних спостережень і гідрологічних розрахунків залежать від ряду факторів. У першу чергу, вони визначаються класом і призначенням спорудження. Так, обґрунтування проекту великого мостового переходу і дорожньої труби, звичайно, не порівнюється за обсягом і складом.

    Інженерно-гідрологічні роботи визначаються також вивченістю водостоку; кліматичними, географічними  особливостями району будівництва  і його приступністю; стадією проектування. На кожній стадії організацію і проведення гідрометричних робіт регламентують нормативні, керівні і методичні документи. Найбільш повний обсяг вишукувань проводиться для будівництва мостових переходів. Тому нижче наводиться перелік зведень про режим рік, що необхідний при проектуванні таких споруджень.

    3. Рівняння водного балансу суші. Для океанів і морів кругообіг води в основному визначається випаром з поверхні і випаданням опадів. Для суші процес кругообігу, води значно складніший. Вода, що випадає на поверхню суші, у вигляді опадів, частково витрачається на випаровування і транспірацію Z_c. Інша частина йде на створення стоку на поверхні суші Y_c (головним чином рік) і підземного стоку Y_п.

    Формування  стоку – складний, багатофакторний процес. Вода потрапляє у, ріки, проходячи тривалий і складний шлях, наприклад при утворенні і подальшому таненні льодовиків або за рахунок утворення підземного стоку.

  Підземні  води завдяки загальному ухилу поверхні суші потрапляють у ріки, а невелика їхня кількість – безпосередньо  в океани і моря. Швидкість руху рідини при фільтрації значно нижча; ніж при поверхневому стіканні. Це призводить до більш пізнього проникнення підземних вод у ріки, сприяючи більш рівномірному їхньому живленню. При відсутності дощів і таненні снігу підземний стік є основним джерелом живлення рік.

    Відповідно до викладеного можна записати рівняння водного балансу суші:

          X_c=Z_c+Y_c. 

    Середньорічні числові значення величин у рівняннях  (1) і (2) по земній кулі наведені в табл. 1.

    Таблиця 1

     Література

1. Басманов Є.І. Загальна гідрологія: Конспект лекцій. - Харків, 2004. 202с.
2. Богословский Б.Б., Самохин А.А., Иванов К.Е., Соколов Д.П. Общая гидрология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 420 с.
3. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1997. - 477 с.
4. Великанов М.А. Гидрология суши. М.: Изд-во МВТУ, 1925. - 192 с.
5. Гидрологические и водно-балансовые расчеты. - Киев: Вища шк., 1987. - 274 с.