автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Деформация русел каналов и рек в несвязных грунтах

На правах рукописи

В НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТАХ

:цпллыюстн: 05.23.07 - гидротехническое и

мелиоративное строительство

05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

МОСКВА 1997

Работа выполнена в ПО "Совинтервод"

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алиев Т.А.

доктор технических наук, профессор Правдивец Ю.П.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Федоров В.Г.

Ведущая организация: ОАО "Институт Гидропроект"

Защита диссертации состоится "23" мая 1997 года в 11 часов на заседании диссертационного совета К 120.41.01 в Государственном предприятии - специализированном научном центре "Госэкомелиовод" Департамента "Мелиоводхоз" Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации по адресу: 107005, Москва, ул. Бауманская, 43/1, ГП СНЦ "Госэкомелиовод".

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГП СНЦ "Госэкомелиовод".

Автореферат разослан "11" апреля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Зубкова Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последние четверть века Сирийская Арабская Республика (САР) характеризуется освоением крупных орошаемых массивов, проектированием и строительством уникальных гидротехнических сооружений: машинных и самотечных каналов, насосных станций, отстойников, водозаборных сооружений, рассчитанных на 500...1000м3/с. В частности опыт эксплуатации уже построенных гидротехнических соору- ^ жений (Ас-Саура и др.) показывает, что происходящие в них динамические явления - вследствие резкого изменения расхода воды и воздействия на стенки водотоков - вызывают деформации (размыв, заиление) русел, которые приводят к ежегодным эксплуатационным затратам. С другой стороны, снижение эксплуатационных затрат зависит от того, насколько оказались достоверными результаты прогноза русловых деформаций, осуществленного на этапе проектирования и обоснования параметров сооружения. Существующие методы прогностических расчетов, используемые проектными организациями САР, почти не учитывают основные факторы (турбулентные характеристики течения воды, физико-механические свойства грунтов русла, фракционный состав транспортируемых потоком наносов), обуславливающие процесс деформации русла.

Известно, что грунтовые основания гидротехнических сооружений являются сложной средой, в которую входят твердые, жидкие и газообразные компоненты, и, поэтому, реальные грунты различаются по характеристикам и по устойчивости деформациям. В прогностических расчетах в качестве характеристик грунтов русла или наносов применяется математическое ожидание размеров частиц, которое недостаточно полно характеризует фракционный состав грунтов и наносов. Наконец, точность

результатов прогностических расчетов определяется правильностью отнесения участка водотока тому или иному типу руслового процесса, описывающего механизм взаимодействия потока и русла. Таким образом, все перечисленные здесь обстоятельства свидетельствуют об актуальности выбранной темы диссертационной работы.

Целью диссертационной работы явилось усовершенствование метода прогностических расчетов деформации русел водотоков, сложенных несвязными фунтами, для условий САР, а также методологии расчета эксплуатационной надежности каналов и зарегулированных русел рек, как элементы гидромелиоративных систем. Для достижения поставленной в диссертации цели требовалось решить следующие задачи:

• анализ факторов, обуславливающих процесс деформации русла в несвязных и связных фунтах;

• разработка инженерной классификации русловых процессов в водотоках;

• анализ методов расчета русловых деформаций при стационарном и нестационарном течении воды и их усовершенствование;

• сбор и анализ данных натурных исследований на реке Амударье и сопоставление их с данными численного эксперимента по программам, разработанным диссертантом;

• сбор и анализ данных по крупным каналам Средней Азии для проверки рекомендуемых формул прогностических расчетов;

• разработка методологии расчета надежности функционирования комплексов гидротехнических сооружений, в том числе каналов и зарегулированных русел рек на этапе эксплуатации;

• реализация результатов исследований.

Все эти задачи по порядку изложены в соответствующих главах диссертации.

Исследования соискателя базируются на обобщении и анализе как отечественной так и зарубежной литературы в основном по ранее выполненным работам, исследующим вопрос деформации земляных русел, и на анализе фактических материалов по русловым деформациям реки Амударьи и каналов Республик Каракалпакистан и Туркменистан.

Ценность исследований и научная новизна состоят в следующем:

1. Разработана классификация русловых процессов каналов и рек, сложенных несвязными фунтами.

2. Выведено аналитическое выражение для расчета динамики насыщения потока взвесями в результате пространственного размыва русла водотока, сложенного несвязными грунтами при стационарном течении расхода воды.

3. Разработаны инженерные рекомендации для прогностических расчетов русловых деформаций, учитывающие фракционный состав фунтов русла, наносов и характеристик турбулентности потока.

4. Систематизированы и обобщены данные в многолетнем разрезе по гидрологическим и наносным режимам р.Амударьи на участке ее среднего течения, и каналов Республик Каракалпакистан и Туркменистан, которые использованы для проверки достоверности предложенного метода расчета русловых деформаций.

5. Разработана методология расчета надежности функционирования комплексов гидротехнических сооружений, в том числе и водотоков (и зарегулированных русел рек) на этапе эксплуатации.

Реализация и практическая ценность диссертации. Результаты исследований соискателя уже нашли применение при научном обосновании инженерных мероприятий по предотвращению затопления территории города Бабаево Вологодской области Российской Федерации паводковыми водами реки Колпь. В дальнейшем полученные результаты будут

использованы при проектировании различных комплексов гидротехнических сооружений в условиях Сирийской Арабской Республики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей ", (Москва, 1994); заседании объединенной секции гидротехнического и мелиоративного строительства, гидравлики и инженерной гидрологии и сельскохозяйственной мелиорации, ПО "Совинтервод", (Москва, 1995).

Публикация работы. Содержание диссертации опубликовано в 2-х статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав и заключения; в конце работы приводится список использованной литературы, насчитывающий 172 наименований, из них 16 иностранных источников. Диссертационная работа изложена на 214 страницах машинописного текста, иллюстрирована 49 рисунками, содержит 24 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены факторы, обуславливающие процессы деформации русла водотока в несвязных и связных грунтах, выполнен анализ наиболее известных классификаций русловых процессов в реках и каналах (С.Т.Алтунин, В.С.Алтунин, К.Ф.Артамонов, Н.И.Алексеевский, В.И.Антроповский, Н.Б.Барышников, К.М.Беркович, М.Н.Бухин, М.Г.Вольман, Н.С.Знаменская, Я.И.Каганов, И.Ф.Карасев, А.В.Караушев, Н.Е.Кондратьев, З.ДЖопалиани, А.Н.Крошкин, И.А.Кузьмин,

Л.Б.Леопольд, Н.И.Маккавеев, Э.И.Михневич, А.М.Мухамедов, И.В.Попов, Е.К.Рабкова, Н.А.Ржаницын, К.И.Россинский, Б.Ф.Снищенко, Г.АЛГер-Абрамянц, А.А.Турсунов, В.Г.Федоров, И.Фридкин, Р.С.Чалов, С.Читале, Д.В.Штеренлихт и другие ученые), на основе анализа и обобщения ре-

зультатов исследований многих авторов, диссертантом разработана инженерная классификация русловых процессов в каналах и реках, сложенных несвязанными грунтами (табл.1). Для оценки направленности русловых процессов в качестве критериального условия принято соотношение Х„ = Ч/Л/а, где V - осредненная скорость течения воды; Уа1 - скорость течения воды для обеспечения условий транспорта в отношении отдельных фракций наносов.

Во второй главе рассмотрены процессы общих деформаций русел водотоков, сложенных несвязными грунтами, и проанализированы существующие методы прогностических расчетов руслоформирующих процессов при условии стационарности и нестационарности течения воды. Несмотря на достигнутые успехи в области разработки методов прогнозирования общих русловых деформаций, в большинстве рекомендаций не учтены направленность русловых процессов в зависимости от грунтовых условий. Обобщение и анализ существующих экспериментальных материалов по русловым деформациям показывают, что при перенасыщении потока наносами происходят аккумулятивные процессы, а если осредненная скорость водного потока больше чем скорость для транспортирования руслоформирующих фракций наносов происходит размыв, причем в обоих случаях трансформация русла сопровождается его расширением. На основе рассмотрения известных работ из литературы (В.С.Боровков, А.Б.Векслер, Т.Г.Войнич-Сяноженцкий, А.Д.Гиргидов, К.В.Гришанин, Г.В.Железняков, Н.С.Знаменская, Н.Г.Зубкова, Ю.А.Ибад-Заде, И.ИЛеви, В.К.Дебольский, И.Ф.Карасев, Ю.М.Косиченко, А.В.Магомедова, Е.И.Масс, Ц.Е.Мирцхулава, А.В.Мишуев, А.С.Овчарова, И.С.Румянцев, А.Г.Хачатрян, Х.Ш.Шапиро и другие ученые) по методам расчета деформаций русел водотоков как в стационарных, так и нестационарных потоках, в работе для количественной оценки русловых деформаций в инженерных расчетах с учетом возможной направленности

этих процессов при условии с10/йХ = 0 использовано уравнение деформации русла (1), для замыкания которого приняты выражения (2) и (3).

Таблица 1

Инженерная классификация русловых процессов в больших земляных каналах и реках сложенных несвязными грунтами

Критериальное условие Категория процесса Направленность и тип процесса Причины возникновения русловых процессов Методы прогностических процессов

Ху<1 Местные деформации Аккумулятивные процессы(крупные песчаные скопления, располагающиеся в русле). Размыв берегов и трансформация русла Перегрузка потока русло-формирующимися наносами Система уравнений неразрывности потока, движения воды и баланса наносов

Ху> 1 Общие деформации Размыв берегов русла и аккумулятивные процессы. Развитие гряд, образование ме-зоформ, блуждание Резкое повышение расхода воды. Эксплуатационные условия Система уравнений неразрывности потока, движения воды и баланса наносов

Ху «1 Элементарные деформации Образование и движения микроформ. Равновесное состояние и сохранение прямолинейности русла в плане Воздействие турбулентных пульсаций водного потока на материалы русла; ветровые и судовые волны Метод допуска емой скорости или влекущей силы водного потока с использованием формулы транспортирующей способности потока для отдельных фракций наносов

. ас

а '

7 — = О

(1)

■¿гЫ'К-™)—— > |2>

V ) Рш

В результате получены зависимости, позволяющие рассчитать параметры русла водотока в несвязных грунтах в процессе размыва за расчетный интервал времени М на 1-ом участке.

Рщ = [ртц + (Рюк + Рбк ~ Ргц)ехр(-Аи ЛХК)] -Р/; (4)

Ау = 1В) • £щ • а + Лтах/ •б2Ц-(1- а)Щ ] (5)

Щ = -а-Ж-[рщ- (рхк + рзк)Урп; (6)

- а) - ^ - [рщ - (рж + р$х)Ур„(7)

= (Рг/Р*- 1) -(игГ Щ); (9)

2

у = ТсоЁзё]!-----, (10)

1 - г^дф

где лг^ = £ АЯ, - средневзвешенное изменение отметки дна за расчетный интервал времени А1 на }-ом участке; ЛВ) АВа - средневзвешенное приращение ширины русла за время на |-ом участке; р^ -транспортирующая способность потока в отношении фракций наносов на ]-ом участке; рху - средняя по сечению мутность потока (текущего вдоль оси X); здесь рхи = ру, + р^, ру1), р211 соответственно мутность, возникающая от размыва стенок и дна русла; а = ря/рй* в расчетах по данным экспериментов И.А.Кузьмина и Л.И.Викуловой (институт "Гидропроект" им.С.Я.Жука) можно принимать в несвязных грунтах а = 0,05; р, - процентное содержание фракций; АХК - расстояние от точки К до точки £ рг, рв - плотность грунта и воды; \Л/| - гидравлическая крупность наносов; и^ -

вертикальная пульсационная скорость потока, значение которой линейно зависит от динамической скорости потока; для крупности взвешенных наносов принимается 11^= (0,3...0,5) 11«, а для крупности донных наносов 1,111*(данные С.Х.Абальянца, А.С.Образовского, Х.Ш.Шапиро и других ученых); й = - отношение коэффициента подъемной силы к

л

коэффициенту лобовой силы; ср - угол внутреннего трения несвязного грунта; 6 - угол подводного откоса (6 = 0,5<р).

Из формулы при отсутствии размыва берегов русла (а = 0), имеем

что соответствует формулам авторов (ЮАИбад-Заде, Ч.Г.Нуриева, А.Г.Хачатряна, Х.Ш.Шапиро), полученным ими из схемы насыщения наносами потока. Однако, формулы этих авторов не учитывают размыв берегов русла, который для несвязных грунтов, согласно данным многих авторов (С.Х.Абальянц, С.Т.Алтунин, В.С.Алтунин, А.Б.Векслер, Л.И.Викулова, З.Н.Данелия, И.Ф.Карасев, И.А.Кузьмин, М.Р.Карапетян, П.В.Михеев, В.А.Скрыльников, В.П.Троицкий, Х.Ш.Шапиро и другие), составляет до 90-95% от общего объема размыва русла.

Приведенные формулы (4) - (10) могут быть использованы и для расчета русловых деформаций, связанных с нестационарными процессами. В этом случае гидрограф расхода воды заменяется ступенчатым, в качестве уравнения неразрывности используются следующие формулы:

-В■ аХк

е

(Ц)

1/3

Расчет заиления русла водотока наносами выполняется по формуле

(</„ - Г,) . В ■ Д.&

Рц-Ръ+^хк+Р*-РцУе & • (13)

В приведенных формулах при определении транспортирующей способности потока для фракций наносов с! = 0,1...0,25 мм; 0,05. ..0,1 мм; 0,01...0,05 мм, в результате анализа существующих работ, использована следующая зависимость (Т.А.Алиев)

рт = 0,8ЕРг-рн—В^-----А , (14)

где рн - объемная масса наносов; рсм - плотность смеси; и2 = 0,05\Л, V -средняя по сечению скорость потока; С - коэффициент Шези, значение которого для полусвязных русел можно определять по формуле О.М.Айвазяна, а для русел, сложенных несвязными грунтами - по формуле Агроскина-Штеренлихта.

В третьей главе приведены алгоритмы расчета русловых деформаций, разработаны программы вычисления на ЭВМ.

Математическая модель, положенная в основу разработанной программы, включает: расчет числовых характеристик грунтов русла (средние диаметры частицы фунта на интервалах, средневзвешенный диаметр фунта, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, асимметрия, эксцесс, коэффициент вариации), определение гидравлических параметров водотока с учетом изменения гидрографа расхода воды и, наконец, расчет общего размыва русла водотока в несвязных грунтах, а также расчет процесса заиления.

В четвертой главе представлены результаты исследований русловых переформирований р.Амударьи и каналов Республики Каракалпакс-тан.

Исследования русловых переформирований р.Амударьи для участка ее среднего течения от створа Керки до створа Ильчик производились на основе анализа материалов гидрологических ежегодников Гидрометеослужбы СССР за 1965 - 1985 годы.

Для анализа данных о деформациях русла р.Амударьи по створам Керки и Ильчик построены графические зависимости отметок дна, вычисленные по средней глубине при максимальных (Уа1) и минимальных среднегодовых расходах воды за период 1965...1974 годы. Далее определены значения отметок дна Уб1 и У^ для каждого года в рассматриваемом периоде, которые нанесены на соответствующие графики. По известным среднегодовым расходам воды по построенным графикам определены отметки У01 , УегДЛЯ каждого года в рассматриваемом периоде и они нанесены на соответствующие графические зависимости.

Эти данные использованы для проверки формул метода прогностических расчетов, изложенных в главах 2 и 3. Апробация программ расчета на ЭВМ (1ЗД2М1\/ и 2АИ) произведена для двух характерных участков р.Амударьи на створах Керки и Ильчик. Сопоставление рассчитанных и экспериментальных данных показало, что расхождение для размыва находится в пределах 30%, для заиления - до 10%.

Для проверки достоверности рекомендуемого метода расчета русловых деформаций диссертантом систематизированы и проанализированы данные натурных исследований на каналах Республики Каракал-пакстан (каналы Кызкеткен, им.В.И.Ленина, Параллельный, Левобережный отстойник, Кегейли, Куванышджарма). Натурные исследования на каналах проводились под руководством С.Д.Джаманкараева до и после ввода Тахиаташского гидроузла. Вследствие увеличения расходов воды магистральных каналов и несоответствия поперечных размеров для пропуска больших расходов, произошло переформирование их русел. Каждый расход деформировал русло каналов до размеров соответствующих

пропуску его с учетом обеспечения условия транспорта наносов. Метод расчета (программы РАгМ1\/ и гАИ) по данным натурных исследований на указанных каналах показал хорошее качественное и количественное соответствие принятой упрощенной расчетной схемы и положенных в основу метода зависимостей опытным данным (табл.2 и 3).

Таблица 2

Результаты расчета русловых деформаций по программе

РАгМРУ1

Наименование Гидравлические Расход Ширина Средняя Средняя

канала параметры ка- воды, по урезу глубина,м скорость

нала м3/с воды, м течения

воды,м/с

Кызкеткен эксперимент 310 57,5 3,9 1,41

расчет 310 61,6 3,5 1,43

Кегейли эксперимент 120 46,5 3,8 0,679

расчет 120 49,4 3,7 0,656

Куванышд- эксперимент 125 48,0 3,0 0,87

жарма расчет 125 52,0 2,9 0,83

Им.В.ИЛенина эксперимент 130 44,7 3,5 0,83

расчет 130 47,6 3,4 0,80

Параллельный эксперимент 120 47,6 3,2 0,79

расчет 120 49,5 3,1 0,78

1 В расчете принять а = 0,05

Таблица 3

Результаты расчета русловых деформаций по программе RAZMIV и ZAIL

Наименование Год Деформация русла, Результаты расчета, тыс.м3

канала тыс.м3

заиление размыв заиление размыв

Кызкеткен 1975 1768,5 899,0 1605,5 972,6

1976 1353,8 1135,4 1270,8 1200,7

1977 321,46 405,23 470,8 567,3

1978 1478,8 711,55 1381,3 894,5

Им.В.И.Ленина 1976 101,6 382,0 97,5 278,7

1977 109,32 169,8 125,4 191,8

1978 125,23 92,84 95,5 82,5

Параллельный 1976 1977 259,3 122,1 541,3 165,24 3212 123,5 760,5 172,5

1978 222,38 200,0 203,0 250,0

Левобережный 1978 1514,91 60,8 1627,3 37,5

отстойник

Кегейли 1976 170,6 253,4 149,0 285,0

1977 211,37 138,11 222,0 170,5

1978 428,36 140,91 450,5 160,6

В пятой главе на основе использования положений теории надежности рассмотрены некоторые приемы расчета по обеспечению надежности функционирования каналов и зарегулированных русел рек на этапе эксплуатации. Показано, что надежность работы элементов водных объектов (каналы, водохранилища, плотины, зарегулированные участки реки и другие элементы ГМС) зависят как от правильной их эксплуатации, так и от мероприятий по обслуживанию элементов ГМС. Для повышения безопасности элементов ГМС обычно используются данные наблюдений (экспериментов) о состоянии системы, или же метод прогностических расчетов, с помощью которого возможно предсказать появление нежелательных деформаций русел в результате вредных воздействий вод, влияющих на экологию окружающей территории. Успешность применения обоих методов, прежде всего, зависит от организации мониторинга - сбора и обработки данных о руслоформирующих процессах как

в реках, так и в каналах. Анализ данных, приведенных в литературе, показывает, что после 1989-х годов в странах СНГ отсутствует систематизированный сбор и обработка информации о состоянии водохозяйственных и мелиоративных объектов.

При заданных общих наработках ГМС до начала проверок или наблюдений можно найти вероятность отказов элементов системы за календарное время эксплуатации и необходимое число проверок К, исходя из заданного уровня надежности Р. При этом аппроксимирующее теоретическое распределение выбирается исходя из анализа физической природы отказов элементов ГМС и полигона статистической плотности распределения времени безотказной работы. Как показано в диссертации, при расчете надежности земляных русел, или оценке износовых отказов элементов ГМС, в качестве аппроксимирующей функции может быть принят нормальный закон распределения

/<0 =

('-"»У

К ^ Л;

-00

('-О'

9(0 = -ттг=е 202

<т л/2я"

Р(?,<Г</2) = 0,5

Ф

ГМ')1 Ф[У5)|

сг*

(15)

(16) (17)

а при внезапных отказах элементов ГМС(насосные станции) для оценки надежности в качестве аппроксимирующей функции может быть выбран экспоненциальный закон распределения

(16) (17)

где Т - случайная величина; х! - статистическая оценка среднего времени безотказной работы при износовых отказах (среднее арифметическое время безотказной работы); а - статистическая оценка квадратиче-ского отклонения или меры рассеивания продолжительностей безотказной работы отдельных элементов относительно т»! ~ статистическая оценка интенсивности отказов относительно 1

В диссертации приведена обобщенная структурная схема изложенных принципов и алгоритмов обработки статистических данных наблюдений по элементам ГМС, а также алгоритм автоматической проверки состояния ГМС. Рассмотрены примеры проверки теоретических законов распределения случайных процессов на основе использования данных экспериментов на Каракумском канале. Рассмотрены два варианта статистических данных:

- расчетные значения гидравлических параметров канала, полученные статистическим моделированием;

- значения гидравлических параметров канала, полученных на основе экспериментов.

Анализ выбранных теоретических законов распределения опытной и моделированной информации дает основание полагать, что гидравлические параметры канала подчиняются закону распределения Лапласа -Шарлье, учитывающему асимметрию и эксцесс. Это можно объяснить тем, что гидравлические параметры канала являются нелинейными функциями входных случайных аргументов.

Так как закон распределения случайной величины является ее полной характеристикой, то, пользуясь графиками на рис.1 и 2, можно решать практические вероятностные задачи, в частности, параметрической надежности. Например, какова вероятность того, что ширина канала не

превысит (не превышает) 190 м?. Или какая допустимая ширина канала при вероятности Р = 0,9? (Решение показано на рис.1, 2). Или какова вероятность Р того, что ширина канала будет находиться в пределах Вн < В < Ва, где Вн и Вв - нижняя и верхняя границы интервала? В этом случае Р = Р(ВВ) - Р(ВН). По разработанным моделям размыва и заиления русла

можно для заданных условий рассчитать величину деформаций. При-

\

бавляя к верхним границам В" и Ь'мах значения размыва АВ и лг, получим новые верхние границы в3 = вв +■ д£ и = Ив + А2, соответствующие вероятностям Р(Вв) и Р(11вмах). Аналогично получим нижнюю границу Инмах = Ьнмах - А2, соответствующую вероятности Р = 1 - Р(ЬнМАх ), при заилении.

В шестой главе изложены результаты расчетов по разработанному методу при обосновании проекта инженерных мероприятий защиты города Бабаево Вологодской области Российской Федерации от затопления паводковыми водами реки Колпь.

Ознакомление с материалами по гидравлическому и русловому режимам р.Колпь убеждает, что почти ежегодно во время весеннего половодья происходит затопление части поймы водным потоком, а подтопление фильтрационным потоком левобережной части (ул.Кирова, Чкалова, Островского) и правобережной части города на участке от моста в створе улицы Красного Октября и до моста в районе улицы Пушкина.

Для защиты города от затопления разработаны два альтернативных варианта: первый вариант предусматривает полную изоляцию от паводковых вод затапливаемой территории города путем строительства ограждающих дамб, а второй вариант - ограждение территории с пропуском части расходов реки по старому руслу.

ЮГ. б

209.1

2РС6

2Ш 2Я6 2$8Р2%.6

27$.1

Закон распределения

№ 11 - нормальный В(1) = 228,6 В(2) = 14,87

№ 15 - Лапласа-Шарлье В(1) = 228,6 В(2) = 14,87 В(3) = 0,2658 В (4) = 0,0484

Рис.1. Гистограмма выходных случайных величин и

кривые функций распределения (данные натурных исследований на 300 км Каракумского канала)

т, Р(В)

х - Лапласа-Шарлье 0-хи - квадрат В(1) = 168,3 В<1) = 134,3

, В(2) = 12,92 В(3) = 0,3034 В(4) = 0,3206

Рис.2. Гистограмма выходных случайных величин и кривые функций распределения (данные натурных исследовании на 300 км Каракумского канала;

Для принятия наиболее рационального варианта комплекса защитных сооружений от затопления паводковыми водами р.Колпь были рассмотрены следующие задачи:

- прогностический расчет общих русловых деформаций и пойменных процессов р.Колпь на участке 102,75.....62 км для расходов воды Р =

1,0% иР = 10,0% обеспеченности при естественном режиме и оценка влияния этих явлений на гидравлику потока и состояние (изменение кривой свободной поверхности, понижение дна русла и уровня воды, размыв и аккумулятивные процессы на характерных участках) реки Колпь;

- прогностический расчет русловых деформаций для условий зарегулированного русла реки Колпь (частичное крепление берегов реки путем строительства дамб) при различных расходах и при естественном режиме течения и оценка влияния руслоформирующих процессов на гидравлический режим течения реки в районе города;

- расчет общих русловых деформаций по вариантам "старое русло" и "прорези" с учетом расчистки русла и дноуглубительных работ для расходов естественного режима течения воды, а также по условию пропуска максимального расхода воды по руслу при сохранении проектного уровня свободной поверхности, соответствующей Р = 1,0 % обеспеченности для размываемого и зарегулированного русла реки и оценка влияния этих явлений на состояние реки на затапливаемой территории г.Бабаево;

- расчет местного размыва у основания опор мостов 3 и 4 в городе и оценка влияния этих сооружений на русловой и гидравлический режим течения р.Колпь.

При решении перечисленных задач использован метод прогностического расчета общих русловых деформаций при стационарном течении воды, приведенный в главах 2 и 3 и реализованный в виде программ на компьютере. Расчетные данные послужили основой при выборе варианта проектирования инженерных мероприятий

по защите территории г.Бабаево Вологодской области от затопления паводковыми водами р.Колпь.

Результаты расчетов для расходов воды Р = 1,0 % и Р = 10,0 % обеспеченности при естественном режиме течения воды по вариантам "старое русло" и "прорези" показали, что на начальном расчетном участке реки (102,75...95,78 км) русловой процесс сопровождается размывом, на 95,4...91 км сохраняется условие равновесия русла, на 90,37...87,01 км перед мостом № 3 происходит интенсивное заиление, а на участке реки до начала первой прорези почти сохраняется устойчивое состояние русла.

При прохождении паводковых расходов воды одновременно по старому руслу и прорезям происходят следующие процессы:

- потоки воды в старых руслах освобождаются от наносов и происходит заиление, которое в свою очередь приводит к уменьшению живого сечения русла, и, следовательно, к уменьшению пропускной способности русла. Анализ расчетных данных показал, что во время прохождения паводковых расходов воды по прорезям и излучинам реки старые русла выполняют функцию русловых отстойников, и во времени уменьшается пропускная способность русла, а в прорезях, наоборот, происходит размыв русла по всему смоченному периметру и увеличивается пропускная способность русла. При прохождении паводков по прорезям уровни воды падают примерно на 0,2...0,4 м.

Анализ результатов расчетов показывает, что на участках реки, где происходит процесс размыва, уровень свободной поверхности течения воды падает, а в местах заиления образуется небольшой подпор (например, участок реки перед мостом № 3).

Результаты расчетов для условий одамбованности русла реки и расходов воды при естественном режиме течения воды (здесь подразумевается, что часть расходов воды протекает по пойме) показали, что в

этом варианте интенсивность руслоформирующих процессов (размыв и заиление) значительно уменьшается. Последнее происходит из-за того, что берега не размываются и, поэтому, насыщение потока продуктами размыва уменьшается по длине реки, таким образом, интенсивность аккумулятивных процессов замедляется.

Результаты расчетов общих русловых деформаций по вариантам "старое русло" и "прорези" с учетом расчистки русла и дноуглубительных работ для различных расходов воды показали, что в этом случае аккумулятивные процессы перед мостом № 3 затухают и, при достижении оптимального значения коэффициента шероховатости (п » 0,03), пропускная способность русла увеличивается на 20%. ..30%, а это позволяет пропустить максимальный паводковый расход при сохранении уровня воды для Р = 1,0% обеспеченности. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в первоочередные инженерные мероприятия должны входить способ расчистки русла от наносов в районе города и особенно перед мостом № 3.

Сравнительный анализ результатов расчетов по различным вариантам проектирования показывает, что наиболее безопасным и надежным вариантом следует считать разделение потока на две части в чертах города с помощью обводного канала.

Расчетный расход воды обводного канала состоит из суммы расходов, пропускаемых по пойме (в паводок) и части русловых расходов (0,15 Ор). При пропуске максимального расхода (Отах ~ 500 м3/с) и условии деления на две части русло р.Колпь не подвергается сильному размыву, а снижение уровня воды в русле реки составляет 0,7..0,8 м.

Наряду с указанными мероприятиями в инженерные схемы защиты города от паводковых вод р.Колпь в первую очередь рекомендуется включить расчистку русла в районе города и дноуглубительные работы с тем, чтобы увеличить пропускную способность русла за счет уменьшения

гидравлического сопротивления. Как показали расчеты, при выполнении работ по расчистке русла пропускная способность русла увеличивается до 20 %.

В комплекс инженерных мероприятий необходимо включить вариант спрямления русла прорезями. При исполнении этого проекта надо иметь в виду, что в старом русле будет происходить интенсивное заиление, и образование подпора, или же повышение сопротивления потоку в старом русле, будет способствовать прохождению всего потока через спрямляющие прорези. Использование этого вспомогательного варианта должно рассматриваться с учетом изменения экологической обстановки на вогнутых участках реки ниже города при уменьшении расхода воды в старом русле.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, позволяют прийти к ряду выводов, которые связаны с общими деформациями водотоков, сложенных несвязными грунтами.

1. Прогноз влияния результатов антропогенного воздействия на деформации русла и транспорт наносов представляет собой одну из самых важных и сложных проблем речной гидравлики и гидротехники. Несмотря на то, что отечественными и зарубежными специалистами проводились большие работы для создания методов прогностических расчетов русловых деформаций, существующие математические модели недостаточно полно учитывают направленность русловых процессов в несвязных фунтах, влияние гранулометрического состава транспортируемых наносов (включая как донные, так и взвешенные), а также влияние характеристик турбулентности потока на условия деформации русла водотока, включая его откосы.

2. Разработана инженерная классификация типов русловых процессов, с помощью которой обоснована физическая схема общего раз-

мыва русла, сложенного несвязными грунтами, позволяющая выводить ряд аналитических выражений для выполнения расчетов по прогнозу русловых деформаций.

3. При замыкании уравнения баланса наносов использованы эмпирические выражения (2) и (3), структура которых установлена на основе анализа физического процесса взаимодействия потока и грунта русла. Выражения (2.) и (3) включают транспортирующую способность потока в отношении отдельных фракций наносов р^, вертикальные скорости турбулентного потока 11;/ и их изменение по ширине русла через параметр отношение поперечного расхода наносов к продольному (а), процесса насыщения потока взвесями по длине русла (р^) для прогностических расчетов заиления русла водотока, отстойника и водохранилища.

4. Получено аналитическое выражение (4) для расчета динамики изменения мутности при стационарном течении воды в процессе общего размыва русла. Эта формула одновременно учитывает размыв дна и берегов русла. Показано, что выведенное выражение может быть использовано для расчета русловых деформаций и при нестационарном течении воды. В этом случае гидрограф расхода воды заменяется ступенчатым гидрографом и для расчета условия неразрывности используются простые морфометрические соотношения (Н) и (12).

5. Результаты выполненных исследований по поставленным задачам позволили построить полуэмпирический метод расчета русловых деформаций (размыва и заиления русла) при стационарном течении воды и разработать две программы и 27\И, алгоритмы которых включают расчет числовых характеристик грунтов русла, установление начальных гидравлических параметров водотока по расчету или опытным данным, расчет общих русловых деформаций с учетом основных видов деформации русла (размыв дна и берегов водотока, заиление).

6. Для проверки разработанного метода в диссертации собраны и систематизированы данные натурных наблюдений на реке Амударье по гидрологическим ежегодникам за период 1965...1985 годов, а данные натурных исследований на каналах Средней Азии взяты из литературы. Сопоставление рассчитанных по программам ИАгЛ/НУ и 2А\1 значений размыва и заиления при апробации метода по данным среднего течения р.Амударьи показало, что расхождение натурных данных с рассчитанными по программе Р?А2М1\/ находится в пределах 30 %, по второй программе соответственно 10 %. По этим же программам расчетные величины довольно близко совпадают с измеренными в натуре по крупным каналам Средней Азии.

7. Показано, что надежность функционирования каналов и зарегулированных русел рек в комплексе ГМС определяются эксплуатационными условиями и организацией мониторинга русловых процессов в системе этих сооружений. Разработана математическая модель для описания и обработки данных динамики изменения надежности элементов ГМС, рассмотрены порядок построения гистограммы плотности распределения времени безотказной работы элементов ГМС и статистическая модель выбора теоретических законов распределения параметров водотока (на примере Каракумского канала). Анализ выбранных теоретических законов распределения опытной и моделированной информации дает основание полагать, что параметры подчиняются закону распределения Лапласа-Шарлье.

8. Предложенный метод применен в проекте первоочередных инженерных мероприятий по защите города Бабаево Вологодской области Российской Федерации от паводковых вод реки Колпь (глава 6).

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А л и е в Т.А, Яхья Ж.А. Расчет русловых деформаций в однородных

по крупности несвязных фунтах// Методические и прикладные вопросы гидравлики и водного хозяйства. - М., "Совинтервод", 1993. - С.31-39.

2. А л и е в Т.А, Титов В.А., Яхья Ж.А. Статистическая модель вы-

бора теоретических законов распределения гидравлических параметров крупного земляного канала на этапе проектирования// Методические и прикладные вопросы гидравлики и водного хозяйства. - М., "Совинтервод", 1993. - С.89-112.

Подписано в печаль 'И Формат 60x84 '/16 Печ. офсетная

И- гЪ Объем / пл. Т. Щ Заказ

Московский государственный строительный университет

Типография МГСУ, 129337, Москва, Ярославское ш.,26