Были рассмотрены результаты исследований 47 напорных туннелей, высеченных в скальных грунтах для подвода воды к зданию ГЭС, сброса воды в строительный период, отвода технических и канализационных вод (по данным туннелей Швеции, Норвегии, Финляндии, США, Австралии и других стран). Диаметры туннелей изменялись от 2,9 до 13,5 м, число Рейнольдса от 5-104 до 9-105. Проходка туннелей осуществлялась в горных породах разной твердости: гранитах, гнейсах, кварцитах, нефритоносных и осадочных породах и др. [59, 60, 64].
Большинство опытных данных испытаний туннелей относятся к квадратичной области сопротивления при ограниченных пределах изменения чисел Рейнольдса. Исключением явились данные испытаний городского Хельсинского туннельного водопровода (Сильвола) и туннеля неочищенных вод (Сильвола — Старый Город); оба туннеля до испытаний не были в эксплуатации. Эквивалентный диаметр определен по среднему значению площадей поперечных сечений участков туннелей, замеренных после их проходки. Туннели Сильвола пролегают в прочных породах — гранит, амфиболит. На некоторых участках встречаются кварцевые породы, слюдяные гнейсы.
Рис. 16. Зависимость кэ=f (d) для необлицованных туннелей:
1 - Финляндия; 2 - Швеция; 3 - Норвегия; 4 - Австралия; 5 - США; I - линия для туннелей в граните
На рис. 15 представлены кривые зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для нескольких туннелей; на этом же рисунке нанесены кривые по формуле Прандтля—Никурадзе (12). Все опытные кривые λ = f (Re) имеют один и тот же характер: с возрастанием числа Рейнольдса коэффициент λ увеличивается и при Re=(3-4)х405 достигает постоянного значения, характерного для квадратичной области сопротивления. Вид опытных кривых сопротивления коренным образом отличается от вида кривых λ = f (Re), характерных для технических трубопроводов, когда λ монотонно уменьшается с ростом Re. Опытные кривые не описываются полуэмпирическими формулами Колбрука (15) и Альтшуля (17), в соответствии с которыми λ непрерывно уменьшается с возрастанием числа Рейнольдса. Прц сравнении опытных кривых с кривыми Никурадзе можно заметить, что переход в область квадратичного сопротивления в необлицованных туннелях происходит при значительно более высоких числах Рейнольдса, чем это следует из графика Никурадзе. Характер кривых λ=f (Re) для необлицованных туннелей близок к характеру кривых для зубчатой шероховатости, полученных Моррисом. Опыты Морриса с различными типами шероховатостей (техническая, зернистая, зубчатая, волнистая) показали, что в переходной области сопротивления каждому виду шероховатости соответствует своя кривая λ=f (Re).
Свойства внутренней поверхности туннеля зависят от ряда факторов: характера породы, ее структуры, способа и направления проходки, качества выполнения работ и пр. Анализ значений кэ показывает, что эквивалентная абсолютная Шероховатость зависит от диаметра туннеля d - с его увеличением кэ возрастает (рис. 16, линия I) и от характера породы — чем тверже породы, тем больше кэ (рис. 15). Очевидно, метод проходки также отражается на значении кэ - для туннелей Австралии и США кэ больше, чем для скандинавских туннелей (рис. 16, данные 7-5).
На рис. 17 приведена зависимость кэ от значений 2а, (где а - перебор), полученных в натуре непосредственными измерениями площадей сечений туннелей. Как видим, между кэ и 2а имеется достаточно тесная корреляция.
Рис. 17. Зависимость кэ = f (2а) для необлицованных туннелей
Таким образом, рассмотренный материал по гидравлическому сопротивлению необлицованных туннелей позволяет оценить их шероховатость в зависимости от диаметра и прочности породы, а также в зависимости от качества производства работ. Такая оценка носит достаточно условный характер и часто не позволяет на стадии проектирования ориентироваться в выборе абсолютной эквивалентной шероховатости для определения потерь напора в туннелях. Однако в настоящее время предложить классификацию поверхности туннелей в зависимости от множества факторов, влияющих на их сопротивление, не представляется возможным. Этот вопрос нуждается в специальных исследованиях.
