Использованные данные опытных исследований бетонных и железобетонных водоводов включают 134 серии, в том числе 74 серии американских исследований, 33 — советских, 10 — французских и т.д. Девять серий относятся к лабораторным испытаниям, остальные - к натурным. Натурные исследования охватывают водоводы и туннели с бетонной облицовкой гидроэлектростанций СССР (Гизельдонская, Сухумская, Храмская, Аджарская и др.) и зарубежных, а также трубопроводы питьевой и технической воды. Диаметр водоводов изменялся от 0,1 до 14 м, длина экспериментальных участков от 11 м до 80 км. Измерения потерь напора проводились в диапазоне скоростей движения воды от 0,3 до 13 м/с при числах Рейнольдса от 4·104 до 6·107.
Новые бетонные и железобетонные водоводы (лабораторные исследования). Опытные данные лабораторных исследований бетонных и железобетонных водоводов включают результаты испытаний водоводов, выполненных в стальной опалубке, методом центрифугирования, трамбования, со стыками различного качества, с раструбом на конце, соединенных муфтами (в стыках-пазы) [28]. Несмотря на большое разнообразие методов изготовления, соединения, качества внутренней поверхности указанных выше водоводов, опытные точки (рис. 10) хорошо согласуются с кривыми, построенными по формуле (17).
Бетонные и железобетонные водоводы с гладкой поверхностью (данные натурных испытаний). Здесь рассматривались результаты исследований бетонных водоводов с исключительно гладкой поверхностью и тщательно состыкованными секциями, выполненными в промасленной стальной опалубке; с обработкой поверхности карборундовым камнем; водоводов, выполненных методом центрифугирования, с гладкой поверхностью; сборных железобетонных водоводов с хорошо заделанными стыками. Здесь же рассматривались водоводы после нескольких лет эксплуатации, если их тщательно выполненная поверхность не была нарушена, не имелось отложений, наносов и поверхность характеризовалась как гладкая [28, 44, 47].
Рис. 10. Сравнение формулы (17) с данными лабораторных исследований по бетонным трубам (новым и бывшим в эксплуатации):
Франция: 1 - d = 100 мм, раструбная, соединения муфтовые через 1 м, стык с пазами; 2 - d = 200 мм; 3 - опыты Базена, d - 800 мм, поверхность гладкая, стыки в хорошем состоянии; 4 - d = 808 мм, предварительно напряженная, изготовлена в стальной форме, стык через 6 м; 5 - d = 796 мм, изготовлена центрифугированием, поверхность неоднородная; США: 6 - d = 914 мм, сборная, 30 секций по 1,5 м, качество стыков среднее, при изготовлении секций применялось трамбование бетона; 7 - то же, d = 610 мм; 8 - то же, d = 914 мм; 9 - d =457 мм, сборная, стыки нормальные
Экспериментальные точки всех опытных серий натурных испытаний водоводов, оцененных как водоводы с гладкой поверхностью, хорошо ложатся на кривые (рис. 11), построенные по формуле (17), за исключением серии 5, которая, возможно, включала местные сопротивления. Сопротивление водовода, состоящего из двух отрезков (стальной и бетонный), также хорошо согласуется с данными по формуле (17) (серия 10).
Рис. 12. Сравнение формулы (17) с данными исследований по бетонным водоводам с умеренно гладкой поверхностью (новым и бывшим в эксплуатации):
1 - ГЭС Ливенца, Италия, d=3798 мм, 2 года эксплуатации, отделочный слой цементный с ручной затиркой-мастерком, 9 поворотов; 2 - США, d=1214 мм, новый, сборный, толщина секции 4,38 м, стыки загрунтованы, поворот на 10°; 3 - то же, поворот на 42°40'; 4 - США, d=1219 мм, новый, сборный, длина секции 4,88 м, стыки загрунтованы, множество поворотов; 5 - Швеция, d=701 мм, новый, предварительно напряженный, стыки хорошие; 6 - США, d =4420 мм, новый, поверхность гладкая, после стальной опалубки, стыки шероховатые, поворот на 90°; 7 - США, d=3304 мм, 2 года эксплуатации, отделочный слой выровнен щетками; 8 - США, d=4471 мм, 3 года эксплуатации, секции длиной 7,6 м, опалубка стальная, стыки хорошие, поверхность чистая; 9 - напорный водовод ГЭС, d=1000:200 мм, новый, поверхность умеренно гладкая; 10 - d=700-500 мм, до 1 года эксплуатации, покрытие битумное
Рис. 13. Сравнение формулы (17) с данными исследований по бетонным водоводам с шероховатой поверхностью (новым и бывшим в эксплуатации):
1 - США, d = 2438 мм, 2 года эксплуатации, стык и свод выполнены с помощью стальной опалубки, ложе выровнено машиной; 2 — то же, 3 года эксплуатации; 3 - США, d =4170 мм, новый, облицовка стен и сводов выровнена щетками, ложе формировалось вручную - имеет шероховатую волнистую поверхность; 4 - Италия, d = 3048 мм, 18 лет эксплуатации, отделочный слой цементный с ручной затиркой; 5 - Канада, d - 9449 мм, свод и стены выполнены с помощью стальной опалубки, ложе выровнено машиной, облицовка заглажена теркой; 6 - d = 304 мм, поверхность с коррозией; 7 - США, d = 1372 мм, 8 лет эксплуатации, сборный, секции длиной 4,88 м, чистый бетон, трасса сильно искривлена
Бетонные и железобетонные водоводы с умеренно гладкой поверхностью. К этой категории были отнесены водоводы, изготовленные с помощью стальной или деревянной опалубки с затиркой поверхности вручную мастерками или щетками; с загрунтованными стыками, но не сглаженными; после нескольких лет эксплуатации, но без существенных отложений [28, 53]. На рис. 12 представлены опытные точки исследований водоводов указанных типов, которые достаточно удачно согласуются с кривыми, построенными по формуле (17). Дополнительное влияние местных сопротивлений (увеличение угла поворота с 10° до 42°40') не изменяет характера кривой сопротивления, которая расположилась, однако, несколько выше на графике (серии 2, 5). Опытные точки для бетонной трубы, покрытой битумом (серия 10), также согласуются с кривыми, построенными по формуле (17).
Бетонные и железобетонные водоводы с шероховатой поверхностью. К этой категории были отнесены натурные водоводы, поверхность которых обрабатывалась щетками или бетонный облицовочный слой разравнивался специальными машинами, заглаживался терками. После такой обработки бетонная поверхность, как правило, оставалась шероховатой или становилась волнистой. Сюда же относились водоводы, бывшие в эксплуатации, с корродированной поверхностью [28]. Результаты исследований представлены на рис. 13.
Опытные точки водоводов, поверхность которых имеет волнистость (серии 7, 2, 3 рис. 13), ложатся несколько выше кривой по формуле (17). При этом чем меньше число Re, тем наблюдается большее отклонение. Аналогичный характер имеют опытные кривые для водоводов с местными сопротивлениями (серия 7 рис. 13). Если из опытных значений λ вычесть ту часть, которая приходится на местные сопротивления (искривленность трассы — серия 7 на рис. 13) или волнистость (серии 7, 2, 3 на рис. 13), то опытные точки смещаются вниз и лучше согласуются с кривыми по формуле (17). Опытные кривые для водоводов после обработки их поверхности щетками, т.е. водоводов с шероховатой, но не волнистой поверхностью (серии 4, 5, 6 на рис. 13) близки к кривым по формуле (17).
Бетонные и железобетонные водоводы с сильно шероховатой поверхностью. К этой категории были отнесены водоводы после ряда лет эксплуатации, в результате чего на их внутренней поверхности наблюдалась инкрустация, отложения, обрастание ракушечником и т.п. [21, 22, 52], что значительно увеличивало шероховатость стенок и делало поверхность волнистой. Для сравнения рассматривались результаты испытаний тех же водоводов в начале их эксплуатации. Во всех случаях сопротивление водоводов после ряда лет эксплуатации увеличивалось. Опытные точки нанесены на рис. 14.
Опытные точки новых чистых водоводов хорошо согласуются с кривыми по формуле (17) (серии 1, 3, 5 на рис. 14). После нескольких лет эксплуатации и появления отложений, инкрустации на стенках водоводов характер их сопротивлений изменяется. Значения λ заметно возрастают с уменьшением числа Рейнольдса (серии 2, 4 на рис. 14). Однако разница между опытной кривой и кривой по формуле (17) не превышает 5 % (в пределах охваченных опытами чисел λ). В одной из серий (серия 6 на рис. 14) отклонение опытных точек от кривой по формуле (17) весьма значительно. На стенках этого водовода наблюдались интенсивные отложения глинистых частиц, после чего поверхность стала сильно волнистой.
Лишь в одном случае (серия 14 на рис. 14) кривая сопротивления водовода после эксплуатации имеет характер противоположный тому, который описывается формулой (17) (описание поверхности этого водовода отсутствует). Из всех 134 рассмотренных серий лабораторных и натурных испытаний это единственный пример возрастания коэффициента λ с ростом числа Рейнольдса, что, по-видимому, можно объяснить специфическим характером отложений, возникших в процессе эксплуатации.
На рис. 14 представлены также результаты исследований сопротивления туннелей с торкретированной поверхностью [42] заглаженной и незаглаженной. Опытные точки всех шести серий (9-13 на рис. 14) вполне согласуются с кривыми по формуле (17). Очевидно, торкретированную поверхность можно рассматривать как поверхность с шероховатостью, аналогичной шероховатости стальных и бетонных водоводов, но более высокой.
