автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Деформация прямолинейных песчаных русел

п. и

Д5КШ1?АДСЮй ОРДЕНА ЛЕШАКА ПОМТГГаНКЧЕСШТЛ КНСТШТ ккет М.И.ШШЯНА

Но правах рукописи удк 532.543.011.17.013.2

Косарев Сергей Геннадьевич

ДЕФОРМАЦИЯ ДР®ЮЛШй'.ЭДХ ПЕСЧАНЫХ РУСЕЯ

Специальность 05.23.16 - "Гидравлика и инженерная глярохсг'/.я"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на ооиокзнке ученой степени кандидата технических наук

ленинград 1989

Х'яоотя шполкйка на кафедре гидравлики Ленинградркого политехнического института имени "М.И.Калинина.

Научккй рукоъодитель - доктор технических наук, профессор Л.Д.Гиргидов

Офнцкзльше оппоненты - доктор технических наук, профеооор

К.В.Гританнн

кандадаг технических наук, научный сотрудник С.Я.Павлов

Вздуцая организация - Всесоюзный научно-исследовательский гаститут Гидротехники имени Б.Е.Ведзнеева.

Защита диссертации состоится " декабря 1989 г. в часов нп заседании специализированного Совета К 063.38.22 Ленинградского ордена Ленина политехнического института имени М.И.Калинина (135251, Ленинград, Политехничеокая ул., 29), Гидрокорпус, ауд.208.

С диссертацией моею ознакомиться в фундаментальной библиотеке институте.

Автореферат разослан " » ноября 1989 г.

Ученый секретарь 0

Специализированного Совета

кандидат технических наук,

доцент Б.А.Дергачей

деформация пршолинейшх песчаных русел

Общая характеристика работы

Актуальность темы» При проектировании земляных каналов без за-¡итних покрытий скорости течения в них из технико-экономичеоких соображений иногда 'приходится принимать больше неразмываидих. В этом ¡лучае возникает задача о расчете плановых и глубинных деформаций «нала. Совершенствование методики раочета таких каналов сушествен-ю повысит их надежность, позволит увереннее прогнозировать деформа-1ии этих каналов и разработать рекомендации по их эксплуатации.

Цель» настоящей работы является разработка методики расчета в зависимости от времени плановых и глубинных деформаций прямолинейных дошндричееких руоел рек и каналов, сложенных несвязным грунтом, при $вижении донного материала в них в-виде русловых микроформ (рифелей 1 гряд).

Научная новизна работы соотоит:

1) в разработке модели движения русловых наносов на откосах ¡рямолинеШшх цилиндрических каналов, сложенных неовязным материалом, 1ри движении донного материала в виде русловых микроформ.

2) В установлении зависимости, связывающей удельные продольный i поперечный расходы влекомых наносов на откосах канала.

3) В разработке методики робчета расширяющихся в плане прямоли-юйних цилиндрических земляшх русел рек и каналов.

Практическая ценность работы и ее реализация. Полученная рао-1СТН8Я зависимость для определения скорости расширения прямолинейных (илиндрических земляных русел рек и каналов мояет быть использована сак при проектировании каналов, так и для прогноза возможных дефор-«аций уже существующих русел рек и каналов.

Результаты исследований были использованы ВНЖГ им.Б.Е.Бедене-:ва при оценка деформаций откосов продольной перешчки котлована су-юиропускного сооружения C-I.

Апробация работы. По отдельный частям диссертации были оделаны доклады: I) на молодежной научно-технической конференции НЙСа Гядро-фоекта (1-3 марта IS89 г., г.Москво); 2) на ШП научно-техничес-сой конференции ЛТИ ЦБП (20-24 марта 1989 г., г.Ленинград): 3) на тучных семинарах кафедры гидравлики ЯШ им.М.И.Калинина (1987-:-У89 г.г.).

Результаты исследований отражены в одной печатной работе.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (78 наименований) и приложения; она изложена на 131 странице , Заключающих 85 страниц основного машинописного текота, 18 страниц иллюстрационно-графических, II страниц о таблицами, 7 отраниц с библиографией и 10 страниц приложения.

содержание работы

Во введении данной работы отмечаетоя значение гидравлического расчета деформаций земляных каналов, указываются основные особенности и недостатки существующих методов, формулируются основные задачи, ставящиеся в данной работе, кратко приводятся пути решения поставленных задач и основные полученные результаты.

В первой главе рассматриваются основные метода гидравлического раочета каналов, проходящих в несвязных грунтах, а также приводится обзор и анализ следующих опубликованных материалов:

1. Рекомендаций, касающихся методов расчета русел рек и каналов, сложенных неовязным грунтом, при скоростях течения в них, больших их предельных неразмываодих значений.

2. Рекомендаций, каоатацихоя методов раочета деформаций русел рек и каналов.

3. Зависимостей, определяющих полный расход русловых нанооов, а такке расход влекомых наносов.

4. Зависимостей, определяющих сопротивление русел рек и каналов при движении в них вместе о водой русловых наносов при различных формах движения этих наносов.

Земляные каналы без защитных покрытий подразделяют на устойчивые и неустойчивые. В уотойчивых земляных каналах, в отличие от неустойчивых, форма и размеры русла не изменяются во времени. Это имеет место в случае, когда поток вода в канале оказывается неспособным вывести из состояния покоя частицы грунта, образующего смоченную поверхность канала. Такие каналы называют иногда статически устойчивыми. Для обеспечения статической устойчивости материала русла необходимо, чтобы силы, действующие на частицы грунта оо стороны потока, не превосходили во всех точках смоченного периметра силы, удерживающие эти чаотицы на поверхности русла. Это же условие можно сформулировать"в других терминах: величины продольных касательных напряжений, действующих со отороны потока на грунт, не яолкни превосходить их предельных неразмнваюакх значений. Пои в«'"««,ппоцо-.ь -

/

них казитслгдах нщ:рдгенпй, больших их предельных неразмыващих значений, в канале возникает движение руслового материала и канал будет деформироваться, причем процесс деформации канала может нооить как необратимый, так и обратимый характер, В первом олучае канал называют неустойчивым, во-втором - динамически устойчивым. Очевидно, что процесс деформации дна трапецеидального канала, образованного несвязным материалом, будет носить обратимый характер в том олучае, если только на место оторвавшихся частиц в таком же количестве будут поступать частицы, приносимые потоком с вышележащих участков, т.е. если будет соблюдаться баланс наносов. При этом отметки дна в среднем будут оставаться неизменными. Что ке касавтоя откосов канала из несвязного материала, то здесь все обстоит гораздо оложнее. Частицы не-овязного грунта, вырванные с некоторой площадки откоса и пришедшие в движение под воздействием потока, приобретают способность перемещаться не только вдоль образующих откоса в направлении главного течения, но и скатываться под влиянием силы тяжести вниз по откооу. Возникающей таким образом тенденции к размыву откоса и отложению продуктов его размыва на дне канала может противодействовать (при соблюдении баланса наносов) лишь поперечное течение, способное перемещать чаотицы со дна канала на откос. И хотя такие течения в некоторых случаях, по-ьидимдау, имеют место в руслах рек и каналов, опубликованные в литературе результаты многочисленных наблюдений над процессом деформации первоначально прямолинейного цилиндрического русла в несвязных грунтах (например, песках) прямо указывают ка необратимый характер деформации откосов русла, сопровождающийся расширением и обмелением русло.

В результате рассмотрения методов гидравлического расчета динамически устойчивых каналов, были сделаны'следующие выводы:

1. Расчет каналов по методу режимных уравнений (Дж.Лэйси, Д. СаКтлонс и М.Альбертсон и др.) обеспечгаает в среднем неразиъшаемость и незаиляемость дна трапецеидального канала при поступлении в канал русловых наносов в количестве, не превышающем в среднем транспортирующую способность потока воды в канале, но ке обеспечивает устойчивость материала на откосах канала. Устойчивость материала откосов режимных каналов, как свидетельствуют дашше натуряих исследований на этих каналах, в случэе несвязных грунтов, обеспечивалась искусственными мероприятиями: например, посадкой кустарника и т.п.

2. Поскольку метод режимных уравнений ерлзтгавг о моделью прямолинейного, цилиндрического динамически устойчивого кагала, то, исходя из сказанного в п.1, следует считать, что ^спкрл модель д;т№>~

мически устойчивого канала не реализуется в действительности.

3. Морфоматричеокие зависимости (В.Г.Глушков, С.Т.Алтунин и др. приводят к соотношениям, практически совпадающими о режимными, поэтому эти завиоимооти также не обеспечивают устойчивость материала откосов канала при скороотях течения, превышающих неразмывающую скорость.

Как видно, проектирование земляного канала в несвязном грунте может идти по одному из двух вариантов,

Вариант I. Канал проектируется и рассчитывается таким образом, чтобы скорооти течения в нем и касательные напряжения на его смоченной поверхности не превышали их предельных неразмыЕающих значений. Этим обеспечивается статическая устойчивость частиц грунта, слагающего русло. Имея в виду, что предельные значения неразмывающих скоростей течения и каоателышх напряжений в большинстве случаев (мелко- и ореднезерниотые пески) оказываются относительно небольшими, а также принимая во внимание, что объемы земляных работ при сооружении канала обратно пропорциональны средней скорооти течения воды в канале, в ряде случаев статически устойчивый канал может оказаться экономически-нецелесообразным. Это приводит к необходимости рассмотрения проекта канала по второму варианту.

Вариант П. Канал проектируется таким, что скорости течения в кем и касательные напряжения на его омоченной поверхности принимаются большими по сравнении с их предельными неразмывающими значениями, В канале допускается некоторый русловой процесс, сопровождающийся деформацией канала.

Выбор варианта осуществляется на основании технико-экономического раочета.

Канал, проектируемый по П варианту, характеризуется, наличием транспорта русловых наносов, как влекомых, так и взвешенных. При атом в канале имеют-меото некоторые деформации. Многообразие русловых форм (микро-, мезо~, макро-), возникающих при этом в канале, оказывает заметное влияние и на характер деформации, и на транспорт наносов, а также на сопротивление движению воды в канале»

йоходя йз этого при гидравлическом расчете канала по П варианту возникает необходимость в решении трех следующих задач:

I) о характере деформации канала в зависимости от времени и граничных условий прй превышении окороот'ей течения или касательных напряжений в нем над их неразмывающими значениями в заданное число 4

раз;

2) о расходе накосов с учетом того, что в канале транспорт наносов отличается от условий транспорта наносов в лабораторных лотках прямоугольного поперечного сечения наличием в канале поперечного расхода наносов, т.е. перемещением наносов о откосов какала на дно;

3) о сопротивлении движению воды в канале и его пропускной способности, которые в значительной мере определяются типом руслового процесоа и размерами русловых форм.

Все эти три задачи не нашли в настоящее время законченного решения. Возникающие здесь расчетные модели и методы постоянно развиваются й совершенствуются. В рамках одной работы невозможно было детально рассмотреть все три задачи, поэтому настоящая работа каоаетоя детального рассмотрения лишь первой из этих задач и предложений автора по совершенствованию опубликованных раочотных рекомендаций, ка~ оающихоя этой задачи.

Опубликованные в литературе метода расчета деформаций русел рек н каналов можно подразделить в соответствии о принятыми в этих методах расчетными моделями, которых можно выделить две:

Модель I. Расчет деформаций по этой модели не учитывает поперечный перенос руслового материала, а ограничивается лишь случаями, когда берега русла не трансформируются. Такая модель использовалась э основном при решений одномерных задач И.И.Леви, М.А.Великановнм, {.И.Росоинским и др.

Модель И. Расчет деформаций в этом случае выполняется о учетом расширения русла реки или канала. Данная модель получила овое йерво-шчальное развитее в работах И.А.Кузьмина и Л.И.ВикуловоЙ, которые ¡вязали расширение русла оо вторичными (винтовыми) течениями.

Уравнение деформации русла в работах Й.А,Кузьмина и Л.И.Викуло->оЙ принято в виде ,

эоА.&л, эвх . о эы , ...

■де 0$ - полный расход наносов, который принимается равным тран-портирующей способности потока по К.И.Российском,у на расчетном уча-тке; ргр и - соответственно плотности грунта и материала, ола-ающих русло; б5 - ширина русла на уровне бровок; 115ч -

редняя глубина русла; и) - площаль поперечного сечения русла, нтенсивность береговой эрозии определяется -из эмпирически уставов-

ленного соотношения

где К - коэффициент, овязываший расширение русла (удельный поперечный расход наносов - член "Ьл ^ ) с удельным продольным расходом наносов (член Оз/В ); В ~ ширина потока по урезу вода.

В работах И.А.Кузьмина и Л.И.ВикуловоЙ на ооновании ограниченного по признанию оемих авторов экспериментального материала было найдено, что в случае лабораторных каналов значения коэффициента К изменяются в пределах К * 0,15+0,20; при обработке экспериментальных данных о саморазмыве Волго-Ахтубино кого канала этими авторами было получено значение К = 0,05.

Векслер А.Б. полагает, что в общем олучае коэффициент К может быть определен из зависимости:

"(Ш • »

где 5 - пористость донных отложений, т.е. отношение объема пор к общему объему грунта; с1 - средний диаметр чаотиц грунта; -плотность воды! - уоталоотная прочность на раз-

рыв несвязного грунта, учитывающая появление сил сцепления мезду частицами мелкозернистого грунта ( <¿<0,25 мм); 0 - кинематический Коэффициент вязкооти вода.

Основной недостаток формулы (2) состоит в том, что коэффициент К в ней принимается постоянным, а по формуле (3) зависящем только от рода грунта, в то время как результаты опытов показывают, что коэффициент К является еще и функцией параметров потока.

В этой главе также дается критический обзор рекомендаций, касавшихся расхода наносов и сопротивления движению воды в канале»

Во второй главе обсувдаетоя теоретическое описание силового воздействия потока на частицы несвязного грунта, расположенные на откосе канала. Опубликованные в литературе модели расчета деформаций русел рек и каналов, ва исключением предложен^ И.А.Кузьмина и Л.И, ВикуловоЙ в олучае прямолинейных руоел, образованных несвязным материалом, без защитных покрытий, не позволяют получить правдоподобную картину русловых деформаций. Но эта авторы ограничились лишь расчет-6

ними соображениями весьма ограниченного характера.

В данной работе предлагается модель движения наносов в прямолинейных руслах, принципиально отличная от предложенной И.А.Кузьминым и Д.И.Викуловой. Соглаоно представлениям, развиваемым в наотоящей работе , (эти представления сложилиоь на кафедре гидравлики ДЛИ в результате совместного обсуждения данного вопроса группой сотрудников и аспирантов кафедры: А.Д.Гиргидов, В.П.Троицкий, С.Г.Кооарев, О.И. Коояков), поперечное перемещение руслового материала возникает под действием силы тяжести на пришедшие в движение в продольном направлении частицы грунта, образующие откосы русла (канала), и практически но связано со вторичными течениями,

В потоке водогрунтовой смеси на откосе канала выделяется элементарный отсек единичной длины, основанием которого служит площадка общей площадью , На объем дБ5 влекомых наносов, за-

полняющих отсек, действуют: влекущая сила л$Т и сила тяжести

(рс-р() л Б с составляющей, лежащей в плоскооти откоса и нормальной к его образующим , Здесь приняты оледующиа обо-

значения: Т" - действующее со стороны потока на единичной площадке дна элементарного отсека касательное напряжение; Рс*^ + ~

плотность водогрунтовой смеси; £ - объемная концентрация твердых чаотиц грунта в объеме лб 8 ; - толщина движущегося олоя водогрунтовой смеси; 8 - угол откоса.

Отношение удельных поперечного и продольного расходов влекомых наносов

к -

принимается равным отношению указанных выше оил, рассматриваемых в рамках данной схемы, и приложенных к объему дБ5" потока наносов;

6, Шв ^(Рс-Р£)$8$1пв

т- . (5)

Для определения в уравнении (5) толщины с? движущегося олоя ип~ нооов записывается уравнение динамичеокого равновесия рассматриваемого отсека водогрунтовой смеси, предполагая, что при Т« # . где Т.цьКс $ - предельное касательное напряжение на откосе капала,

толщина движущегося слоя нанооов § = 0, в виде

3$ш0]=л5гмщ^с^Ъ&ыьВЦу . (6)

В левой чаоти (6) стоит равнодействующая влекущей силы д$ТГ и составляющей силы тяжести 6п51пв ,• Первый член в правой части соотношения (6) представляет собой силу дБТмдкс $ , действующую на границе раздела движущейся и неподвижной водогрунтовой смеси, а второй член-силу сопротивления, действующую в движущейся водогрунтовой смеси и принятую оогласно закону Мора-Кулона; - угол внутреннего трения грунта.

Сокращая соотношение (6) на дБ , и решая его относительно 8 , находим, что

Тщк* ¡Г

иЕ Ы!к

" Чп-г + ~гг-з л.г,.

(?)

В уравнении (7) значение предельного касательного напряжения ^•макс# на откосе можно заменить на предельное касательное напряженяв Тмлкс (без учета откосов) из известного соотношения

1-макс $ — 1*нлкс • С05о у 1- Т~ГГ (8)

На основании зависимостей (5), (7) и (8) была принята следующая функциональная зависимость для коэф|ициента пропорциональности К :

к-И fc.fr , £ ,В , у , Т,Тмкс)

(9)

Экспериментальные иооледования по определению значений коэффициента К в случае потока йоды и. наносов, близком к равномерному, можно проводить двумя различными путями:

I) интегральным, т.е. осредняя характеристики потока и русла по всему поперечному сечению. Значения коэффициента К в этом олучае определяются из зависимости (4), причем трудностей по определению значений и не возникает;

2) разбиением поперечного оечения русЛа (канала) на отсеки, и феделением значений коэффициента К для каздого отсека из завиои-зоти (4). Что касается определения значений , то они опреде-штся по отснятым за определенный промежуток времени отметкам по-зрхности русла (3* ) из уравнения

ЪЧ-тл _ Э2д ■ при. Э Члнп. _ (10)

эу ~ ъг дос

кспериментальное определение удельного продольного расхода влекомых аносов для кавдого отсека представляет серьезные трудности, т.к. этребуегся установка в конце канала продольных перегородок для оп-зделения количества вынесенного объема грунта с кавдого отсека, что эжет, во-первых, повлиять на поток, а во-вторых, вызвать меотные ззмывы в меотах соприкосновения канала и перегородок. Это может ривеоти к трудно оценимым погрешностям при определении расхода вле-омых наносов.

В связи с названными трудностями было принято более целесооб-азным определение коэффициента К интегральным путем, т.е. значения ээффициента. К определялись для всего участка канала за определений промежуток времени д4 ю зависимости (4), где значения <^,„оп и 1„рРА вычислялись следующим образом:

А

1л/

ч

проА —

&AÍ

(II)

(12)

це W _ объем вынесенного в песколовку, устроенную в конце канала, рунта за время ¿t (в плотном теле).

Учитывая, что в рассматриваемых в наотоящей работе опытах зна-ения параметров рс , pg , £ , tp были практически одинаковыми, а акже принимая во внимание, что определение коэффициента К ооущеот-лялось интегральным путем, в связи о чем параметр 9 можно заменить а относительную ширину русла В/"Нес > где fio,. - глубина потока в лоскости его осевой оимметрии, функциональная зависимость (9) для эльнейшего рассмотрения была принята в виде

К- f-(t'/T мдкс , &/floc ) - (13)

В этой же главе приводится вывод уравнения деформации русла из закона, сохранения массы, которое принимает вид

Э(и>.5) aQ* fo du)

~9t~~ d^'Wdï ' (I4)

где u)„ - площадь живого сечения.

Принимая допущение о пренебрежимо малом влиянии нестационарное-ти концентрации наносов на процесо деформации, которое приводит к тому, что в уравнении (14) исчезает член 9(t&S)/dt , а также прин: мая во внимание, что и)« ôj-hi , уравнение (14) принимает вид (I).

Третья глава посвящена рассмотрению экспериментальных исследований, которые проводились с целью:

1) качественного и количественного определения характера дефор мации каналов, сложенных несвязным материалом, при режиме движения воды и нанссов в них, близком к равномерному, о учетом их расширена

2) разработки методики гидравлического расчета деформируемых участков русел рек и каналов, сложенных песчаными грунтами, для слу чая, когда смоченная поверхность русла образована микроформамк (ри-фелями и грядами);

3) установления зависимости для определения раохода влекомых наносов.

Опыты проводились на двух экспериментальных установках: на рус , ловой площадке в лаборатории кафедры гидравлики ЛПИ (установка № I) и на открытой русловой плошадке ГЭБ ТТЛ (установка 1?. 2). В опытах использовались пески трех типов: песок й I со средним диаметром час тиц грунта dcp= 0,16 мм; удельным весом ¿*& = 26600 н/м3 и коэ$н рциентами разно зернистости dep/dfg = 0,571; dgsjdg = 18,7; d-so/df0 = 3,5; песок й 2 со сродним• диаметром частиц грунта def = = 0,27 мл; удельным весом jfs - 26500 н/м3 и коэффициентами разнозе икстости dcf{d$r= 0,563; d9sjds- - 4,36; diofàLio = 2,5; песок ïc со средним диаметром частиц грунта dq> = 0,43 мм; удельным весом tfs = 26500 н/м3 и коэффициентами разнозернистости d^jdgs = 0,334 aigs/df = 18,57; dsajdn = 3,3.

Всего было принято для рассмотрения 12 серий опытов. Опыты серий 1-УШ были выполнены Троицким В.П. и Лаксбергом А.И. в период с 1977 по 1984 г.г., причем оерии 1-У1 выполнены на установке й I о

J0

¡оком Л I, а серии УП и УШ на установке К 2 о песком М 3. Серии опы-)в 1Х-ХЛ были выполнены автором настоящей работы на установке К I песком К 2 (серии IX и X) и на той же установке с песком № 3 (сете XI и ХП).

Экспериментальная установка № I включала в себя следующие оонов-ле элементы:

1) русловую площадку прямоугольного поперечного сечения длиною

3 м и шириною 2,6 м, выполненную из бетона. В ее головной части уот-оен решетчатый успокоитель, эа которым следует участок длиною 3 м с братгшм уклоном дна для. плавного подхода вода в канал. В концевой вота русловой площадки имелась пеоколовка длиною 6 м для пооледую-его определения расходе русловых наносов и плоский затвор, регулиру-ий глубину воды в канале;

2) систему подвода воды в канал из 1рех трубопроводов с регули-ующими задвижками и отвода вода в бассейн лаборатории;

3) оборудование для измерения расходов воды треугольным водосли-■ом} оборудование для измерения глубины и ширины потока и канала из-зрительными иглами; самопередвигающуюся тележку для формирования не-1бходимого поперечного профиля канала.

Экспериментальная уотановка й 2 включала в себя русловую площед-су длиною 100 м и шириною 4 м, и была оборудована такими же элементами, что и установка № I.

Измерение расходов воды треугольным водосливом выполнялось с югрешностью 2%, Для определения перепадов свободной поверхности на )абочих участках канала йспользовались дифференциальные микроманомет->ы о трубками, установленными под углом наклона к горизонту 30° для Уменьшения погрешности измерения. Погрешность измерения перепадов ¡вободаой поверхности составляла 0,4 мм (относительная погрешность определения уклона свободной поверхности не превышала при этом 3,5$). )пределение отметок дна и свободной поверхности выполнялось установленными в рабочих створах канала измерительными иглами о погрешностью 0,5 мм, что при определении площади живого йечения (или средней зкорости) дает относительную погрешность не более 2,5$.

Опыты проводились следующим образом:

1) на русловой площадке о помощью оамопвредвигатацейоя тележки формировался канал необходимого поперечного профиля о заданным уклоном;

2) до начала основных опытов в канале проводился опыт о целью образования по всей длине канала микроформ;

3) основные опыты проводились по двум схемам: о подачей напооов

в голову канала в меру транспортирующей способности поиока (оерии 1У-У1, IX-XÍI) и без полачи нанооов {серии I-Ш, УП и УШ). Опыты проводились таким образом, чтобы в канале имел место режим движения во~ ды и нанооов, близкий к равномерному (в опытах о подачей нанооов в голову канала в меру транспортирующей опоообнооти потока это достигалось по всей длине канала, а в опытах без подачи наносов - в его концевой части). Практически такой режим осущеотвлялоя путем регулирования отметки нижнего бьефа плоским затвором, установленным в конце русловой площадки, и контролировался о помощью дифференциального микроманометра и измерительных игл, установленных в рабочих створах. Расход вода в течении каждой оерии опытов сохранялся неизменным.

Продолжительность кавдого опыта определялась интенсивностью расширения канала, приращение ширины какала на уровне бровок ¿Bj в каждом опыте лежало в пределах (0,0540,10) Вг ,

После каждого опыта в рабочих створах с помощью измерительных игл снимался поперечный профиль канала и по объему грунта, вынеоенно-го в песколовку, определялся расход влекомых нанооов. Кроме.того, в течение каждого опыта серий 1Х-ХП проводились измерения скорооти перемещения рифелей по времени прохождения гребнем рифеля воротиков определенной длины, выгнутых из проволоки и установленных в плоскости осевой симметрии потока.

Серии опытов 1Х-ХП, выполненных непосредственно автором данной работы, состояли соответственно из 4, 5, 5 и 8 опытов. Продолжительность каждой из серий опытов IX и XI составляла 200 часов, а оерий X и ХЛ - 100, часов.

По результатам непосредственных измерений, проведенных в каждом опыте, вычислялись значения следующих величии:

- площади поперечного сечения русла Ш и площади живого сечения и)0 ;

- средней скорости течения воды в канале V-Q.ju)a ;

- уклона свободной поверхности 3, в пределах рабочего участка ДЛИНОЙ íp&5 : 3=úh/¿pai , где ¿b=(v,-vt)sth ; ef и - отсчеты по уровням води в трубках дифференциального микроманометра; ¡f -угол наклона трубок микроманометра относительно горизонтальной плоо-кости ( У а 30°);

п К Н

- приращения ширины канала па уровне,-бровок üD£=8j- В5 , где Bí и By - соответственно ширшш канала на уровне бровок до и после опыта;

- средней глубины канала hs и средней глубины потока h =

: 1.1 г- Г

~ среднего касательного напряжения Су^гМ и отношения

где предельное касательное напряжение для материала частиц

грунта, слагающего русло, при зернистой шероховатости его поверхности, определяемое по методике В.П.Троицкого. Так, для песка № I ТМАКС~ = 0,298 н/м2, для пеока № 2 Тнш= 0,336 н/м2, для песка ¡'¡>2^иакс -= 0,44 н/м2;

- по формуле (2) определялось значение коэффициента пропорциональности К .

После указанных вычислений сторился график зависимости К -= -Г(Тма«./Тс/>) , графики изменения во времени площади живого сечения, ширины канала на уровне бровок, отметок свободной поверхности, скорости перемещения рифелей, расхода влекомых наносов.

На основании выполненного эксперимента для коэффициента пропорциональности К предложена зависимость вида

К = , . (15)

ЧГс/>

справедливая только при отношениях вД)С> 10. При В/Ь« Ю значения К получаются завышенными. Это связано, по-видимому, с тем, что при малых отношениях В/^ое на величину коэффициента К оказывает заметное влияние крутизна откосов,

В четвертой главе даются рекомендации по гидравлическому расчету деформируемых прямолинейных земляных каналов, а также рассматриваются вопросы, касающиеся моделирования процесса деформаций такого -канала, и сопоставления результатов расчета с натурными данными.

При расчете деформируемых прямолинейных земляных каналов в случае квазиравномерного движения воды и наиооов в таких каналах заданными считаются следующие величины: параметры канала {размеры его поперечного сечения, уклон, коэффициент шероховатости п поМашгангу), физико-механические свойства несвязного грунта, образующего канал (средний диаметр частиц грунта Аср , угол его внутреннего трения у ). Заданными также считаются либо расход воды, либо отметка свободной поверхности вода в канале.

При таком движении воды и наносов в канале уравнение деформации (14) записывается в виде и)лсап&Ь. Расчет выполняется в следующем порядке:

I) рассчитывается по форвдде Шези либо отметка свободной поверхности, либо расход вода;

2) определяется среднее по смоченному периметру канала действуя .цое касательное напряжение ТС/> , а также предельное касательное нап ряжение Тллкс ;

3) поперечное сечение канала аппроксимируется прямоугольником с к'лрикой, равной ширине канала на уровне бровок &5 , и средней глубиной О)/ ;

4) определяется продольный удельшй расход влекомых наносов;

5) по полученной в настоящей работе формуле (15) определяется коэффициент пропорциональности К ;

6) время деформации д! канала ка величину ¿В* , которая задается из условия д&£ ^ 0,1' В>£ , рассчитывается по формуле (2), зат сапкой в конечных разностях;

7) получив таким образом новое значение ширины канала на уровне бровок б£ , рассчитывается форма канала нтее уреза воды, которая описывается уравнением

а выие уреза воды - угол откоса какала принимается равным углу внутреннего трения . Показатель степени в формуле (16) выбран таким образом, чтобы в точке уреза вода угол откоса был равен углу >р .

Если расход вода в канале постоянный, то уклоны дна канала и свободной поверхности ке меняются, а отметки свободной поверхности течением времени растут. Если отметки свободной поверхности не изме пяютея во времени, то расход вода в канале уменьшается.

В случае неравномерного движения воды и накосов в канале задан ними считаются те же параметры, что и при расчете канала в случае равномерного движения и постоянным расходом воды. Отмотка нижнего бьефа в канале зафиксирована, а поступление наноаов в голову канала соответствует транспортирующей способности потока ка начальном участке, Предварительно такай канал по длине разбивается ка расчетные участки, для каждого кз которых выполняется расчет ко прпдндущей сх ма, с учетом плавно изменяющегося характера дьиженк» вода в каззадс. Имея ото в вида:'

1) поток вода г канале рассчитывается как плавко кзмснявдийоя по метод-/ Чарномского;

2) изменение гасогцядк (гоперечпого сечена; участка канала еярада ляетоя из уравнения деформации (14).

*

(16)

Основываясь на материалах работы А.К.ХапаевоЙ, С.Я.Павлова и В.Щурыгкна (Моделирование процесса деформаций кпиалп в мелко- и геднезернистых песках // TTC. -1S88. 5. -С.35-38.), сопоставле-; данные о деформациях лабораторных и действующего каналов, приве-:шше в этой работе, с результатами расчета деформации этих каналов > формулам (2) й (15). Достаточно хорошее соответствие этих резуль-itob друг с другом дает основание полагать, что расчетные формулы !) и (15) оказываются справедливыми как для модели, так и для нату-1.

Кроме этого, был протзеден расчет деформаций участка Каракумского шала в створе 306 км в период с IS78 по IS84 год, который дал хоро-зе соответствие с действительным расширение!! за указанный период при 1ределенпи расхода влекомых наносов б формуле (2), определяемом из «аисимостей Й.Й.Леви и В.Н.Гончарова.

Заключение. Здесь приводятся основные выводи по работе:

1. Метод режимных уравнений при его приложении к расчету каналов несвязных грунтах приводит к скоростям течения в нем, превышающим

зачеши нераздавающих скоростей для материала русла данного капала, ри этом расчет каналов по методу режимных уравнений не обеспечивает зтойчивоотп материала на откосах канала, где она обеспечивалась пс~ усственными мероприятиями: например, посадкой кустарника и т.п. орфометрические зависимости приводят к соотношениям, практически овпадаодим о режимными.

2. Опубликованные в литературе метода расчета деформаций русел ек и каналов ограничиваются случаями, когда берега русла не транс-ормируются вовсе, а метода, которые учитывают расширение русла, не олучили достаточно полного развитая и нооят весьма ограниченный ха~ актер.

3. Предлагаемая в настоящей работе модель движения наносов в илиндричеоких руслах характеризуется тем, что поперечный расход наосов принимается обусловленным наличием силы тяжести и практически е связан со вторичными течениями.

4. Значения коэффициента пропорциональности К , связывающего дельные поперечный и продольный расхода влекомых наносов в формуле 2), как показали результаты, полученные для лабораторных каналов в есьма широком диапазоне изменения их размеров и параметров потоков оды и наносов в этих каналах, достаточно хорошо коррелируются с ве-;ramciit хар-жтеоизующей отношение предельного касательного напрякс-'<л "£илкс Д-"-ч материала час тин грунта, слагающего доиал, к сродному

J5

по омоченному периметру значению каоательного напряжения Тс? . Значения отих коэффициентов могут быть определены из зависимости (15), справедливой при отношениях Б/й^ТО.

5. Как показали результаты лабораторных исследований, в процессе деформации прямолинейного цилиндрического канала при равномерном движении потока воды и наносов в нем и прк скороотях течения, больших неразмыващих» пропускная способность канала уменьшается. Расширение

и обмеление канала приводит к тому, что в канале уменьшается значение среднего касательного напряжения Тер , поэтому его деформации носят затухающий характер, по крайней мере до появления в канале макро- и мезоформ.

6. Расчет участка Каракумского канала, а также сопоставление данных о лабораторных каналах с рассчитанными по предлагаемой методике, позволяют заключить, что полученные в работе результаты позволяют с достататочной степенью точности проводить расчеты деформаций прямолинейных песчаных каналов, движение вода и наносов в которых близко к равномерному.

Экспериментальная чаоть диссертации отражена в работе:

Плановые и глубинные деформации каналов в несвязных грунтах при постоянном расходе вода // Тр.ин-та/ЯШ. -1988. -В 424. -С.26-31. (соавтор В.П.Троицкий)*

Тираж 100 экз. Бесплатно

Подписано к печати 26,10.89. Заказ 532.

М-29203.

Отпечатано на ротапринте Ленинградского ордена Ленина политехнического института имени М.Й.Калинина: 195251, Ленинград, Иолитсхнкчес-ул., 29