автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические особенности использования донных порогов для уменьшения заносимости подпорных бьефов на горно-предгорных участках рек

«V С,..

БЕНАДЦИ АБДЕЛЬХАЙ

на правах рукописи

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОННЫХ ПОРОГОВ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАН0СИМ0СТИ ПОДПОРНЫХ БЬЕвОВ НА ГОРНО-ЦРВДГОРНЫХ УЧАСТКАХ РЕК

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инж<" .грная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1996

Работа выполнена на кафедре "Гидравлика" Московского государственного университета природообустройства.

Научные руководители:- доктор технических наук, профессор

Д.В. ШГЕРЕНЛИХХ - кандидат технических наук, профессор Э.С. БЕГЛЯРОВА

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Т.А. АЛИЕВ - кандидат технических наук, доцент В.В. ИЛЬИНИЧ Ведущая организация - ИЦ "СОЮЗВОДПРОЕКТ" Защита диссертации состоится " // " июня 1996 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " " 1996 года..

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

И.М. ЕВДОКИМОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для подъема национальной экономики Марокко особое внимание уделяется развитию сельского хозяйства и энергетики, что требует строительства большого количества гидротехнических сооружения. Важность научно-технического решения этих задач в первую очередь зависит от наличия водных ресурсов и правильного их использования для орошения и гидроэнергетики. К сложным проблемам водохозяйственного строительства в Марокко следует отнести борьбу с интенсивным занесением верхнего сьефа, являющимся неизбежным закономерным процессом.

Основные причины быстрого занесения подпертых бьефов: недостаточная их емкость по сравнении с годовым объемом твердого стока, ошибки при проектировании, вызванные недостатком достоверных данных по режиму взвешенных и донных наносов, несоответствие компоновки и конструкции гидроузла условиям пропуска жидкого и особенно твердого стока, неправильная эксплуатация гидроузла в первые годы его существования.

Занесение подпертых бьефов и водохранилищ и вызываемое им переформирование русел значительно усложняют эксплуатацию гидроузлов и вызывают ряд неблагоприятных последствий: занесение водозаборных отверстий, потерю регулирующей емкости водохранилища, истирание турбин наносами и др. Таким образом, при проектировании гидроузлов небходимо тщательно прогнозировать темпы и размеры занесения подпертых бьефов.

Борьба с процессом занесения до сих пор остается актуальной проблемой, для решения которой универсальный эффективный метод пока не разработан. На основе анализа существующих способов и мероприятий по борьбе с занесением верхнего бьефа для условий водохранилищ Марокко предложены мероприятия - возведение донных порогов (барражей) из местных материалов и регулирование уровен-ного режима подпорного бьефа в период прохождения паводковых расходов насыщенных наносами с целью аккумулирования части твердого стока реки между барражами.

Цель и задачи исследований. Основной целью настоящей работы являлась разработка на основе экспериментальных исследований оптимальной схемы размещения, методов проектирования и расчетного обоснования донных порогов из местных материалов для борьбы с занесением подпертых бьефов небольших водохранилищ с учетом кон-

кратных природно-географических особенностей водотоков Марокко. Для достижения отмеченной выше цели было необходимо решить следующие задачи:

- исследовать качественную сторону процесса занесения подпорного бьефа крупными наносами;

- изучить качественную сторону процесса занесения подпорного бьефа крупными наносаш при возведении донных порогов из местных материалов;

- установить влияние различных схем размещения донных порогов на кинематические параметры гряды занесения и потока при различных режимах водоотведения;

- выявить влияние различных схем размещения донных порогов (Оарражей) на изменение объема занесения верхнего бьефа;

- разработать метод расчетного определения геометрических характеристик Оарражей и их размещения вдоль русла;

- составить рекомендации по прогнозированию процесса занесения на основе решения уравнения деформации подпорного бьефа горного гидроузла, используя метод Рувге-Кутта.

Научная новизна. Основными элементами новизны проведенного исследования, выносимыми на публичную защиту являются:

- разработка компоновочного решения по размещению донных порогов вдоль малых водотоков для борьбы с занесением верхнего бьефа;

- получение новых результатов качественной оценки занесения верхнего бьефа крупными наносами как до, так и после возведения донных порогов;

- составление графиков для определения относительных значений скорости движения гряды занесения и объемов занесения между донными порогами при их различных схемах размещения;

- разработка рекомендаций по назначению геометрических параметров барражей, по их местоположению по отношению к створу гидроузла и расстояния между ними;

- составление методики прогностического расчета процесса занесения подпорного бьефа.

Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и реконструкции водохранилищных гидроузлов, эксплуатируемых на реках, несущих большое количество наносов. Разработанные рекомендации позволяют спрогнозировать процесс занесения при наличии донных порогов в период проховде-

ния паводка. Применение предлагавши мероприятий по борьбе о наносами существенно оолабит процесс занесения и обеспечит срок службы водохранилищ речных гидроузлов как в Марокко, так и в ряде стран и регионов о аналогичными природно-климатическими условиями.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройс-ва в 1994, 1995 г.г., а также на заседании кафедры гидравлики в 1995 г.

Реализация работы. Материалы проведенных исследования предполагается внедрить в практику проектирования и эксплуатации гидроузлов на горных реках Марокко.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка используемой литературы, насчитывающего 237 наименований, из них 78 иностранных и приложения. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, иллюстрирована 50 рисунками, содержит 10 фотографий и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации дано описание состояния уровня развития водного хозяйства в Марокко и перспективы развития водохозяйственного строительства в стране при дальнейшем повышении его эффективности и качества, обеспечении долговечности и надежности создаваемых гидротехнических комплексов.

Решение проблем обеспечения водой народного хозяйства и защиты предгорных и горных районов в Марокко возможны только за счет регулирования паводкового стока рек водохранилищами. В работе описываются: состояние существующих водохрашшщных гидроузлов страны, вопросы изученности наблюдаемых паводков и гидравлических явлений, возникающих в водохранилище во время поступления в него паводковых расходов с большой концентрацией наносов.

Опыт проектирования в стране основывается на составляемых прогностических расчетах процесса занесения верхних бьефов гидроузлов. Однако, во время эксплуатации существующих водных объектов, специалисты вынуждены принимать ряд мер для борьбы с эрозией земель и склонов против занесения верхнего бьефа гидроузла.

Для борьбы с занесением верхних бьефов гидроузлов используются как противоврозионные (агротехнические, лесомелиоративные и

другие) мероприятия, проводимые на площади водосбора реки и направленные на уменьшение поступления твердого стока в водотоки, так и гидротехнические мероприятия (возведение новых небольших плотин по течению, берегоукрепительные и струенаправляицие сооружения, наращивание существующих плотин, строительство бетонных и каменных барражей).

Существующие мероприятия, способы и устройства по борьбе с занесением имеют высокую стоимость и зависят от многих факторов, связанных с размером местности, гидрологическим режимом рек, режимом эксплуатации сооружения, поэтому необходимо комплекс мероприятий подбирать для каждого объекта отдельно в соответствии с техническими условиями работы гидроузла и финансовыми возможностями региона.

Анализ состояния существующих водохранилищ страны показывает, что для решения проблемы борьбы с занесением необходимо знание русловых процессов и методов их регулирования.

Во второй главе диссертации дано описание состояния изученности русловых процессов на горных реках по работам:Алиева Т.А., Д. Алена, Алтунина B.C., Асатряна Р.Г., Ахмедова Б.М., Барекяна А.Ш., Барышникова Н.Б., Бегляровой Э.С., Великанова H.A., Вербицкого B.C., Виноградова В.А., Гачечиладзе Г.А., Егиазарова И.В., Ибад-Заде Ю.А., Ильинича В.В., Знаменской Н.С., Каганова Я.И., Караушева A.B., Д. Кеннеди, Кнороза B.C., Кондратьева Н.Е., Корякина С.Н., Корчохи Ю.М., Кудряшова А.Ф., Лохтина В.М., Макка-веева Н.И., Мирзы-Заде O.P., Мирцхулавы Ц.Е., Михалева М.А., Му-хамедова A.M., Натишвили О.Г., Офицерова A.C., Победоносцева А.И., Попова И.В., Пушкарева В.Ф., Пышкина Б.А., Рабковой Е.К., Ржаницына H.A., Рождественского Г.Д., Ромашина В.В., Российского К.И., Сидорчука А.Ю., Снищенко Б.Ф., Талмазы В.Ф., Херхулидзе И.И., Цзйтца Е.С., Чалова P.C., Шатберашвили П.А., Штеренлихта Д.В., X. Эйнштейна, Яковлевой Л.В., Якунина И.И. и др.

При изучении русловых переформирований, вызванных искусственным изменением гидравлического режима потока, необходимо иметь представление о характере формирования бытового режима и, превде всего, об основных факторах, определяющих противоэрозион-ную устойчивость русла, то есть о гранулометрическом составе отложений, характере их залегания, форме и степени неоднородности частиц, составляющих ложе.

В результате длительного взаимодействия водного потока с

материалом дожа русла устанавливаются определенные соотношения между параметрами поперечных и продольных форм, расходом воды, составом и крупностью отложений.

В связи с тем, что до настоящего времени теория формирования речного русла не дает еще приемлемых решения для практического использования, широкое применение в практических расчетах нашли приближенные описания формирования и переформирования русел о использованием осредненных морфометрических характеристик, определяемых непосредственно из анализа естественных форм русла и гидравлики речного потока.

В третьей глава работы рассмотрены общие вопросы процесса занесения верхнего бьефа их физическая схема и существующие методы его расчета. Изучение вопросов занесения верхних бьефов гидроузлов и связанных с ними русловых процессов занимались многие выдающиеся российские и зарубежные исследователи. Существующие методы расчета процесса занесения в основном разработаны для схематизированных условий, часто существенно отличающихся от конкретных условий проектируемого водохранилища.

В водохранилищах, регулирующих паводковые потоки, процессы занесения протекают под действием сложных гидравлических явлений, которые зависят от расходов воды, насыщенности наносами и других характеристик потока. Резкое увеличение расхода и мутности паводковых потоков оказывает существенное влияние на динамическую схему процессов занесения. Наносы, поступающие в верхний бьеф, распределяются в русле и формируют грунтовый комплекс отложений. Состав и размещение наносных отложений в верхнем бьефе могут быть самыми разнообразными и зависят от величины сработки водохранилища, режима уровней и степени проточности подпорного бьефа, режима течения и волнения, количества и крупности наносов

Для расчета процесса1 занесения водохранилищ существует довольно много методов. Некоторые из них являются эмпирическими, полученными на основе натурных данных. Эти методы изложены в работах: Башкирова Г.С., Боголюбова И.В., Боярского И.Я., Булая И.Ф., Вафина Р.Г., Гагошидзе М.С., Гвелесиани Л.Г., Гендельмана М.М., К. Деккера, Елфимова В.И., Зайцева Ю.И., Иваненко Ю.Г., Иорданишвили З.С., Копалиани З.Д., Крошкина А.Н., /ог/атина Г.Г., Михайловой H.A., Никитина Я.И., Орлова И.Я., Пикалова И.Ф., Позднякова И.Р., Пулатова А.Г., Овчарова Е.Е., Соколовского Д.Л., Талмэзы В.Ф., ТимирововП Р.В., Умарова А.Ю., Фидмана В.А., Флей-

шмана С.М., Шамова Г.И. и др.

Метода, предложенные Алтуниным С.Т., Бузуновым И.А., Вели-кановымМ.А., Данелия Н.Ф., Гришаниным К.В., Гончаровым В.Н., Дебольским В.К., Караушевым Л.В., Костюченко Э.В., Романовским В.В., Леви VI.И., Мостковым U.A., Мухэмеджановым Ф.Ш., Шолоховым В.Н. и другими, основаны на интегрировании дифференциальных уравнений баланса наносов и русловых деформаций. Применяются также методы, основанные на закономерностях осавдения наносов, устанавливаемых теоретически о использованием современной теории движения двухфазных сред и результатов экспериментальных исследований. Это методы Кромера Р.К., Лашеикова B.C., Латилова К.Ш., Оверченко К.К., Румянцева И.С., Санояна В.Г., Скрыльникова В.А. Шапиро Х.Ш. Шнеера И.А. и др.

Перечисленные методы расчета занесения в основном разработаны применительно к конкретным условиям, что ограничивает их широкое применение.

Достаточно вф$ективных мероприятий по борьбе о процессом занесения верхнего бьефа пока еще нет. Предлагаемые и используемые на низконапорных гидроузлах Марокко методы удаления наносных отложений гидропромывом, механической очисткой и другие способы неэффективны в условиях малых водохранилищ из-за недостатка воды в реке для осуществления промыва и значительной стоимости работ по механизированной очистке. На основании вышеизложенного и учитывая проблемы, изложенные в прогнозировании занесения и методах борьбы с ним в условиях малых водотоков, была сформулирована приведенная во введении автореферата цель исследований.

В четвертой главе обосновываются и ставятся задачи эксперимента с привлечением методов математического планирования и излагается принятая методика проведения лабораторных исследований.

Был использован метод критериального планирования эксперимента, заключающийся в синтезе методов теории подобия и планирования вксперимента.

Приводится описание экспериментальной установки и средств измерения; описание методики обработки результатов и дана оценка точности проведенных измерений в соответствии с теорией ошибок. С целью обоснования диапазона применимости предлагаемых рекомендаций по назначению размеров донных порогов, расстоянию между ними и оптимальному их количеству в борьбе с занесением верхнего бьефа, моделирование рассматриваемых явлений осуществлялось о

соблюдением основных условий подобия: динамического, геометрического, подвижности частиц, весового содержания наносов (Рг= idem Ием > Re гр, i = dem, h/d = idem, V/Vн = idem, U/V = idem, p =

= idem при d = idem).

цн

Исходные гидравлические параметры опытов обеспечивали диапазон чисел Рейнольдса ( 20000...32000 ) и чисел Фруда ( 0,39.-..1,98). Опираясь на эти условия, определялись по общеизвестным зависимостям необходимее масштабы моделирования (1:20, 1:40 - в зависимости от расхода реки), з также приемлемые размеры экспериментальной установки, адекватные имеющимся возможностям лабораторной базы. Опыты выполнялись на жеоткой модели низконапорного гидроузла, состоящего иа перегораживающей плотины, выполненной в виде вертикальной подпорной стенки высотой 0,52 м и водоприемника для отвода воды потребителям. Габариты водоприемника определялись размерами отводящего водовода диаметром 0,18 м, внутри которого был установлен дисковый затвор для регулирования водоподачи. Само же русло горной реки было представлено в виде лотка (из оргстекла) треугольной формы сечения (как наиболее приближенной к натурным условиям ) о заложением откосов равным 0,6; с продольным уклоном 0,1; с переменной высотой от 0,28 до 0,52 м и длиной рабочего пространства 4,0 м. Подача наносов осуществлялась дозатором непрерывного действия, установленнго на подводящем участке в начале лотка.

Для проверки расчетных зависимостей, выяснения картины занесения в верхнем бьефе и определения величин скоростей движения гряды занесения и скоростей потока при различных схемах возведения донных порогов, автором в 1994...1995 г.г. было проведено 357 опытов в диапазоне расходов 9...21 л/с, средних глубин 0,3.. 0,5 м, средних диаметров частиц наносов d = 2,5...3,5 мм. В

ор

процессе исследований, после стабилизации режима, осуществлялось

фотографирование и выполнение зарисовок наблюдаемых явлений, измерения основных гидравлических параметров, в заранее выбранных мерных гидростворах (расположенных по длине подпорного бьефа через 30 см), с помощью стандартной аппаратуры. Измерение расходов производилось при помощи прямоугольного водослива с тонкой стенкой. Измерение скоростей течения осуществлялось о помощью трубки Пито. Измерение уровней производилось с помощью шпитценмасштабов и пьезометров. Очертание дна занесенного русла устанавливалось нивелированием с помощью прецензионного нивелира и шпитценмасш-

табом.

В целях подтверждения достоверности получаемых результатов была осуществлена оценка точности проводимых измерений. Предельные относительные ошибки измерений были следующими: расходов 0,92%.. .0,5%. глубин - 3,09!...0,скоростей - 5.7Ж— 1.2^, диаметра частиц наносов - 1%... 10%. Таким образом, величины погрешностей находятся в приемлемом диапазоне.

В пятой главе диссертации рассматривается конструктивное мероприятие, направленное на борьбу с занесением малых горных водохранилищ, эксплуатируемых на горных водотоках. В тексте главы приведены обоснования и описание предлагаемого конструктивного мероприятия по борьбе с занесением, а также изложены результаты лабораторных исследований по изучению рассматриваемого вопроса.

На основе анализа результатов натурных наблюдений, проводимых на гидроузлах Марокко и лабораторных исследований, и существующих мероприятий по борьбе с занесением водохранилищ ( главы 2 и 3), предлагается в качестве конструктивного мероприятия возведение донного порога из местного материала в зоне подпора. Для повышения еффективности мероприятия, в зоне подпора может быть установлено несколько барражей для задержания наносов в период прохождения паводков. Для изучения качественной и количественной характеристик гидравлических явлений занесения верхнего бьефа при различных схемах возведения донных порогов из местных материалов на плоской модели (гидравлическом лотке) были проведены четыре серии опытов. Опыты первой серии проводились для изучения процесса занесения без возведения барража. Во второй серии опытов исследовали вариант расположения одного донного порога в зоне подпора. В третьей серии опытов - двух донных порогов. В четвертой серии опытов - трех донных порогов, причем рассматривались два варианта: в первом размеры сечения барражей с крупным заполнителем из местных материалов принимались постоянными, во втором - высоту барражей выполняли переменной. При разработке приемлемой конструкции донных порогов учитывался опыт других исследователей, в частности, опыт при проектировании запруд, фильтрующих дамб и т.д. Заложение верхнего и низового откосов назначалось из условия устойчивости и равным га = 1.

Во всех сериях параметры потока, насыщенного наносами, поступающего в верхний бьеф и уровень воды в подпорном бьефе были

одинаковыми.

Осредненные значения гидравлической крупности этих наносов

составляли в _ = 1,1 , а отношения о„_/У = 2,2.

ср ср

Результаты всех опытов по изучению влияния конструктивного мероприятия на процессы занесения по длине верхнего бьефа, а также на формирование наносных отложений в русле подробно охарактеризованы в тексте главы в графической и табличной формах.

Результаты первой серии опытов показали, что свободная поверхность подпора сопрягалась с бытовым руслом в зависимости от режима течения, или плавно, или в виде прыжка-волны. Сразу после начала поступления наносов начиналось их отлоаение в зоне первоначального подпора. Влекомые наносы откладывались вследствие резкого падения продольных скоростей в данной зоне. Скопления отложившихся наносов имели в продольном разрезе вид донной гряды, фронт которой был направлен в сторону зоны подпора. Во времени гряда непрерывно развивалась по трем направлениям: двигалась фронтом по направлению к плотине, росла в вертикальном направлении и удлинялась в направлении против течения.

По мере приближения гряды к плотине, она больше и больше вытесняла площадь живого сечения, поэтому глубина потока над грядой увеличивалась, а скорости уменьшались. Дополнительно глубина увеличивалась в связи с подпором. Вследствие этого гребень гряды, перемещающейся в подпорном бьефе, двигался к сооружению с уменьшающейся по величине скоростью и процесс этот по времени носил неустановившийся характер.

Очень важной характеристикой движения гряды является ее скорость движения Ср. По мере движения гряды и ее приближения к плотине, она уменьшалась. Гряда (или фронт гряды) двигалась до определенного расстояния от плотины и в большинстве случаев останавливалась в зависимости от режима течения (р, 0, Я), не доходя до плотины. Анализируя представленные графики на рис. 1, видно, что скорость гряды Сг прямо пропорциональна концентрации наносов в воде, расходу воды и обратно пропорциональна глубине воды И. Движение фронта гряды - явление сложное: ее характеристики непрерывно изменялись во времени (длина 1, высота Ьгр, Сг), также и характеристики потока над ней.

Судя по рис. 1 , скорости гряды имеют явно неустановившийся во времени характер и затухают примерно по экспоненциальному закону.

Для сопоставления результатов модельных исследований с натурными в диссертации представлены фотографии гидроузлов Али Телят, Нахля, Эль Кансера, после прохождения паводка, где имело место опасное занесение верхнего бьефа в виде гряды значительной протяженности.

Во второй серии опытов качественно изучалась физическая картина занесения подпорного бьефа при наличии одного барража в зависимсоти от гидравлических параметров потока и уровенного режима верхнего бьефа. Крупность фракций барража 5...10 см. В одних и тех же условиях течения (Q = 19 л/с, р = 0,1 г/л, H = 0,45 м) были изучены разные варианты размещения барража и его влияние на кинематику гряды. На рис. 1 зависимости Сг= i(t) отражают влияние барража на скорость гряды. Ускорение гряды заметно уменьшалось при наличии барража, особенно когда высота барража была значительной h0p = 0,2 м (h0p/H = 0,44 ). Скорости гряда резко падали и достигали нуля достаточно рано. Гряда двигалась медленнее и останавливалась раньше. В атом случае процесс длился достаточно долго U = 0,31) из-за значительной высоты барража. В момент, когда h-pp* гряда была уже большой, следовательно увеличился подпор и гряда останавливалась сразу после барража. При возведении барража дальше от плотины, т.е. в створе на расстоянии L0p ss 2,1 м (L^p/H = 4,7) при средней высоте h6p= 0,15 м (hfp/H = 0,33), скорости гряды резко уменьшались и гряда останавливалась при т = 0,5. Так как в этой области скорости воды значительные по сравнению со скоростями, когда L6p= 1,5 м (L0p/H = 3,3) гряда быстро набирает высоту и переходит барраж, чтобы набрать скорость и продолжить свой путь. В этом случае был отмечен значительный скачок скорости, и достигнув определенного значения

(Cr//gT. 10"s= 3) они уменьшались. Очевидно, что барражи благоприятно изменяют кинематику потока и они, таким образом, больше уменьшают скорость гряды. После того, когда мы выяснили, что скорости гряды отали меньше в разные моменты ее движения, необходимо было установить, что стало с объемами гряды в ходе занесения подпертого бьефа, как на них действуют барражи. Для этого были получены хронограммы очертаний гряды в разные моменты процесса занесения. В разные моменты общего времени X были сняты отметки поперечного профиля гряды и были построены, таким образом, профили гряды. Хронограммы показывают ход изменения продольного профиля гряды во времени, (рис. 1)

Если сравнить хронограммы с барражом с хронограммами без барража, то можно сделать вывод, что при одних и тех же условиях обтекания и при одном и том же гидравлическом режиме гряда останавливалась окончательно на различных расстояниях от плотины. Барраж оказывает сопротивление, и гряда в случае барража задерживалась дальше от плотины. Барраж увеличивал, таким образом, объем подпора в верхнем бьефе и не только поддерживал гряду на достаточном расстоянии от плотины, но и уменьшал ее в объеме больше, чем на 20%.

На рис.4 представлены графики зависимости изменения средних отметок дна занесенного верхнего бьефа во времени. Чем больше расход воды и концентрация наносов в нем, тем меньше глубины, тем быстрее поднималось дно. Отметим также неустановившийся характер поднятия дна во времен. При т=1 кривые почти превращались в горизонтали, потому что гряда в створе в данный момент времени останавливалась и отметки дна уже были постоянными. С уменьшением средней крупности наносов скорость гряды увеличивалась, о чем свидетельствуют результаты опыта с Л = 2,5 мм.

Третья серия опытов рассматривала варианты с двумя барража-ми с одной и той же высотой,установленными в разных створах, где ЬбрГ 1'5 м %/Н = 3.3) и 10р2= 2,4 м (Ь0р/Н = 5,4). Первый барраж гряда смогла полностью перейти из-за еще незначительной глубины в этой зоне на расстоянии Ь0р2= 2,4 м. Приближаясь к плотине и войдя в зону больших глубин, гряда начинала постепенно замедляться. Если первый барраж по направлению течения не смог создать достаточное сопротивление, чтобы ее остановить, то второй остановил ее полностью.

В створе, где (Ь/н=4) отметки дна получались в два раза ниже отметки дна в том же створе в случае отсутствия барража, что означало меньшую емкость, занимаемую отложениями в зоне подпора. При варианте с двумя барражами гряда занимала меньший объем в верхнем бьефе и была задержана еще выше от плотины.

Кроме того нами был исследован вариант с двумя барражами, когда высота первого барража сверху по течению больше, чем высота второго барража. Если сравнивать с хронограммами в случае двух барражей с одной и той же высотой, отложения были задержаны еще выше. В результате поднятия высоты первого барража подпор стал значительнее и больше объема наносов в гряде было отложено около первого барража. Объемы, которые успели дойти до второго

барража уже незначительные, как в варианте с двумя одинаковыми по высоте барражами и объем стока воды в верхнем бьефе увеличивался. Отметка дна в створе, где Ь/Н=6 увеличилась в 4.5 разе по сравнению с отметкой дна в случае отсутствия барража при т = 1.

Весьма интересными оказались результаты исследований занесения в случае возведения трех барражей в верхнем бьефе. Таким образом, в четвертой серии при одном и том же режиме (Q.H.p) были поставлены три барража с одной и той же высотой h^s 0,05 (h6p/H =0,11), но на разных расстояниях от плотины: 1ур1= 1,5 ы (Ьбр/Н=3.3); Ьбр2= 2,4 м (Ь0р2/Н=5,4); Ьбрз= 3,3 м (Ьбрз/Н=7,4) Этот вариант по сравнению с предыдущими вариантами более целесообразен, так как отложения наносов были задержаны еще дальше от плотины и больший объем стока в верхнем бьефе остался незанесен-ным. Движение гряды было у каждого барража замедлено, и гряда больше распространялась по длине, чем по высоте. Она распространялась по длине больше против течения в бытовой части русла. Гряда имела волновой профиль, который напоминал расположения песчаных дюн в пустыне.

Как и в случае с двумя барражами, в случае с тремя барражами нами был исследован вариант, когда высота барражей разная и она уменьшалась по течению. Первый барраж выше по течению имел высоту hgp3= 0,075 м (Ьбрз/Н =0,17), второй барраж hQp2= 0,050 м (h6pa/H=0,11) и третий барраж,самый нижний по течению hCpj=0,025 и (hgpj/H = 0,06). Расположение барражей в таком варианте оказалось более эф}ективнш, чем в варианте, когда они имели одинаковую высоту. На рис. 4 заметно, как в конце занесения подпорной зоны, когда Т = 1, оказалось в этой зоне отложений меньше, если сртзнивать с окончательным профилем гряды при варианте с одина-ковс й высотой барражей. Профиль гряды имел почти одну и ту же форм.у, как и в предыдущем случае, но, чем выше оказывался бар-рож, тем больший объем отложений накапливался перед ним. Высоты "дюн" уменьшались по течению и оказались прямо пропорциональны высоте барражей. Последняя зависимость объективна, так как, чем выше барраж, тем он создает больший подпор и, тем больше отложений си задерживает. Ниже по течению в высоких Оарражах мы не нуждаемся, так как, чем ближе мы приближаемся к плотине, тем сильнее oíсазывается влияние плотинного подпора на гряду, которая начинает без барражей замедляться. Барражи с помощью дополнительного созданного ими подпора ускоряют этот процесс. Барражи изме-

няют кинематику потока и тем самым влияют на движение гряды занесения и на ее кинематику. Их расположение в зоне выклинивания мешает формировании высокой гряда и гряда разлагается по длине, особенно выше по течению, оставляя, таким образом, зону подпора у плотины чистой без отложений, что имеет особое значение в случае эксплуатации малых ГЭС и плотинных водозаборов.

Чтобы проверить вышеизложенные результаты и сравнить эффективность разных схем размещения барражей, была проведена четвертая серия опытов. Оценка степени занесения была совершена с помощью объемов наносов, при постоянном расходе 0 = 19 л/с и разной концентрации наносов в воде и при разных вариантах возведения барражей, при одних и тех же и Ь^, как и в предыдущих сериях. В каждом опыте продолжалось насыщение потока наносами до полной остановки фронта гряды. В этот момент фиксировался объем гряды (весовым способом) и время полного занесения верхнего бьефа, поскольку считалось, что занесение подпорного Сьефа закончилось. На рис. 5 представлена кривая зависимости «доп = Г(г, р), где №доп - объем занесения в момент остановки гряды или допустимый объем занесения; р - концентрация наносов в воде. Чем больше концентрация наносов в воде, тем больше объем занесения, и . тем меньше время полного занесения. Результаты опытов при возведении барражей ясно доказывают улучшение картины занесения верхнего бьефа. На рис. 5 заметно, как для варианта с барраж&ми кривые ®д0П= '(Ъ.р) расположены ниже, чем для варианта без барражей, следовательно барражи уменьшают объем занесения.

Проанализировав зависимости Б.Ф. Снищенко, И.С. Румянцева и Р.К. Кромера и собственные лабораторние исследования нами была получена формула для определения скорости гряды в данном интервале времени в условиях подпора. Выразив скорость воды через удельный расход, получим:

в • СЭ7'Чг,8Э

С„ = 7,2 «10 -—ЕН-—2-. (1)

Г , ь*.«. а0,э?

Отсюда можно заключить, что чтобы эффективно влиять на скорость гряды СГ и уменьшить ее, необходимо увеличивать И, что до-

казивает целесообразность возведения барражей в подпорных бьефах горных гидроузлов. Зависимость совпадает с результатами наших опытов.

Русловые переформирования в верхнем бьефе низконапогиого

гидроузла связаны о восстановлением нарушении! строительством плотины условий для транспорта наносов, которые определяются водностью года, сменой периодов паводка и межени.

Меженный период характерен наибольшей величиной и длиной кривой подпора, малыми скоростями, способствующими осветлению потока и занесения бьефа без существенных изменений русла в плановом отношении. Происходит восстановление нарушенного уклона путем повышения дна русла.

Разработанная конструктивная схема позволяет уменьшить поступление наносов в водохранилище, уменьшается до минимума русловая деформация в зоне водозабора. Предлагаемая конструкция при своей высокой надежности в експлуатации проста при строительстве и является экологически чистой, так как не нарушает, а наоборот, поддерживает естественное состояние речного бассейна.

Иоходя из условия режима работы малых водохранилищ рассматриваемого региона, более надежной схемой размещения барражей оказалась схема с тремя барражами, размещаемыми в зоне выклинивания потока, причем с разной высотой, которая убывает по течению. При этой схеме размещения сокращался значительно объем занесения (5356), что подтвердило результаты опытов первой серии.

Возведение барража в русле горного потока вызывает изменение его гидравлических условий и создает возможность формирования нового ложа перед барражом. Ложе в пределах призмы отложения наносов формируется с меньшим продольным уклоном, тем самым уменьшается транспортирующая способность потока и прекращается движение крупных фракций донных наносов. Порог барража условно фиксирует базис врозии для выше расположенного участка. В случае нахождения барража в зоне подпора, отложения будут накапливаться тогда и над гребнем барража, так как в этом случае влияет и подпор плотины.

Помимо непосредственного задержания наносов, система барражей образует новый, более пологий уклон русла на участке выклинивания, на котором происходит частичное осветление потока и освобождение его от наиболее крупных фракций донных наносов. Первоначальное крутое русло превращается в ступенчатое с выположен-ными ступенями. Водный потока проходит по каскаду барражей с меньшими, чем в бытовых условиях скоростями и в результате утрачивает свою высокую несущую способность.

Для определения расстояния между барражами необходимо сна-

чала определить уклон занесения отложений перед ними. Для нашего случая уклон линии занесения определится по уравнению:

1, = 0,21 + 0,1 10,в (2) з р р

Если барражи будут размещены в зоне выклинивания, то в этой зоне 1з будет иметь осредненное значение между 131- уклон линии занесения только от барража и 1зг уклон занесения только от плотины. Если барраж будет находиться в зоне значительных глубин от подпора, внизу от зоны выклинивания, то 1 = 1дг, если наоборот, он Судет находиться вверху от зоны выклинивания, то 1 = 1 ,= 0,2

¿0,38 3 31

Р

Расстояние между барражвми должно увязываться с физико-механическими характеристиками двухфазного потока, которые находят свое отражение в формировании продольного профиля потока с уклоном линии занесения. Длина призмы отложений Ь3 перед барражом определяется как:

= —1 - 1! ° ' (3)

р з

где - высота призмы отложений; 1 - первоначальный уклон бы-

3 р

тового русла; 1 - уклон линии занесения, тб - верховой откос

барража.

Как правило, первоначальный уклон дна потока 1 известен.

р

Высота призмы отложений определяется исходя из принятой высоты барража и откоса верхнего бьефа ш^.

Размещение барражей по длине горного потока нами предлагается осуществлять в зоне выклинивания с таким расчетом, чтобы наносы, отлагающиеся в верхнем бьефе нижнего барража с определенным уклоном, достигали отметок подошвы вышележащего барража. На рис. 7 приведена принципиальная схема размещения барражей по длине горного потока. Кроме того, барраж играет роль речного карьера. Накопленные в нем частицы представляют большой интерес для разных видов строительных работ. В период межени из-за незначительных расходов реки барраж работает как фильтрующая запруда и его эксплуатация как карьера не представляет больших трудностей из-за незначительных уровней воды в верхнем бьефе (рис.7) В случае, если барраж не эксплуатируется как карьер, то следует его наращивать, после полного занесения и наполнения верхнего бьефа наносами. Наращивание целесообразно еще и потому, что перед таким барражом откладывается значительно больший объем нано-

сов, чем перед первоначально построенным, так как уклон i3, который будет являться первоначальным уклоном, круче, чем вновь сформированный уклон линии занесения 13'.

Шестая глава работы была посвящена разработке математической модели для расчета деформаций речных русел и процесса занесения верхнего бьефа. Метод баланса наносов в его современном состоянии наиболее пригоден для количественной предварительной оценки деформаций дна при стабильном плановом положении русла, особенно при одномерной постановке задачи прогноза, то есть в тех случаях, когда ищутся деформации дна, ооредненные по ширине русла.

_ - . _ ..а

(4)

Q = V.U, (5)

с- -Hf)1'6' (6)

д% Я7

тт + р„- «if- = (7)

Чн = r(V, U. d, ...), (8)

где qH - расход наносов; Z'- отметка поверхности воды; Z - отметка дна русла; В - ширина сечения по верху.

Система содержит пять функций независимых переменных 1, t, отметку свободной поверхности Z', среднюю скорость V, площадь

живого сечения и, ковффициент Шези С и расход наносов q„. Так

н

как число уравнений тоже пять, то система замкнутая.

При решении системы относительно 1 определяются продольные профили свободной поверхности и продольные профили поверхности дна для выбранных моментов времени t.

Расход наносов qH можно определить по формуле В.Н. Гончарова:

q = 2,4 • d • V • (Д-)4'зэ (9)

и

Для скорости гряды Сг можно принять формулу B.C. Кнороза:

г—« v - vu a.s Сг = 0.4'/ g»d (—-^-j , (10)

где R - гидравлический радиус.

После выполнения ряда преобразований окончательно уравнения будут иметь вид:

/"g^r^

82' _

ИГ -

в

4.2.

а

ъ%

Э1

£ , 2 12,79»

И

,4,33

(11)

2 , 5

где х - смоченный периметр.

Так как Ь = 2 и и = Г(й), х = Г(И), то последняя система является системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Для решения такой системы применим метод Рунге-Кутта, полагая, что:

1 =

ьг-

Э1

эг ТГ

-Г

(12)

Система дифференциальных уравнений имеет вид: & =Ш. у)

(13)

Метод Рунге-Кутта обладает значительной точностью и, несмотря на свою трудоемкость, широко используется при численном решении дифференциальных уравнений с помощью современных программ

на эт.

В диссертации представлена программа, составленная на алгоритмическом языке Турбо-Паскаль для решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта.

0

ОСНОВНЫЕ вывода И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Выполненные исследования позволили нам прийти к следующим основным выводам:

1. Разработана новая расчетная физическая модель изучаемого процесса и методика проведения модельных гидравлических исследований занесения верхнего бьефа в условиях возведения донных порогов (барражей).

2. Установлено, что процесс занесения верхнего бьефа в период поступления в него паводков носит нестационарный характер и формирование наносных отложений, в частности, изменение толщины наносных отложений в бьефе зависит от расхода, крупности наносов, продольного уклона дна и глубины в верхнем бьефе гидроузла, топографических характеристик верхнего бьефа.

3. Занесение верхнего бьефа происходит за счет перемещения гряда наносов, двигающейся своим фронтом к створу гидроузла при одновременном росте ее высоты и удлинении ее тела против течения Процесс перемещения гребня гряды занесения носит неустановившийся характер.

Получены данные, позволяющие определять относительные скорости движения гряды Ср при различных режимах течения в водотоке, наносонасыщении и различных схемах возведения барражей (рис.6 ).

4. Исследования влияния оптимальных размеров барражей и конструктивных решений по их размещению на характер занесения водохранилища и скоростную структуру потока позволили оценить неравномерность распределения наносов между барражами, в зависимости от значений V, й и режимов наносов (рис. 1,5). Установлено, что с уменьшением чисел Фруда, объемы занесения между барражами уменьшаются.

5. Выявлено, что высота гряды между барражами на всем интервале занесения является функцией подпора от плотины и барражей; от высоты барражей, их размещения и количества. По графикам (рис.2, 3, 4) можно определить высоту фронта гряды занесения в любой момент времени и по формулам (2, 3) расстояние между барражами, то есть длину призмы отложений наносов между донными порогами.

6. На основе уравнения баланса наносов и формул для определения расходов наносов и скорости гряды, предложены зависимости (11) для определения продольных профилей поверхностей дна по длине подпорного бьефа для избранных моментов времени X.

7. Подтверждено, что предложенный способ борьбы с занесением верхнего бьефа с помощью донных порогов из местных материалов

( барражей ) вдоль русла, является перспективным конструктивным мероприятием, эффективно решающим традиционные задачи занесения в рассматриваемом диапазоне изменения: 0, <}„, И.

Л

Донные пороги имеют простую и надежную конструкцию и могут ислользоваться эффективно в регионах с аналогичными природными условиями.

Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на изучение работы данных конструктивных решений (возведение с'арражей) в натурных условиях.

? г

а. 1$и я и м. а » » Л « 21 2« и " /< 11 ю г в * г-М 4 * ! * * 41 /, &

\ \|

V V Ч. 2

А __.. -- <

</}Я „ С,

и

>*

я

л Л 1 >

и г-

а

я f ^

л и

/»

! « /

*

0

С*,

ч \ V.

\

>

с.

' |

1-» 0« 0« ">

.А-

¿ост

■У*,.

4.

Л7

л

26

Л- 1- * 1

« г-

« 4

а . к г

Ы

и *

£

*

г

о

Г.

\ \ V

V \ N N г /

V < Г ,

О Л О* ££ <?.-3

г-.г1-

/о С ост

Рис. 1. График зависимости скорости смещения гряды во временипри 0 = 19 л/с, р = 0,1 г/л и Н = 0,447 м а) Ьер/Н = 0,33, Ьер/Н = 3,3; 0) Ьбр/Н = 0,22, Ьбр/Н = 3,3; в) Лбр/Н = 0,44, Ьбр/Н = 3.3; г) ЬСр/Н = 0,33,

1 - мос.че [(Оавр.п^ния барряжа: 2 - до возведения барража = 4,7

Рис. 5 Хронограммы очертаний гряды в случае возведения трек барражеС О * 19 л/с,/> - 0,1 г/л и Н=0,447 м: 0.06, = 0,11, С

^ = а,4, « 7.4 3.3

пг

41т

2 л*,,

а

\ р

И*

II,

■« *

3 ! !

>5 1

/

-¡гН

( / /

/V /Г 1

—Т" "

\ Я

X

£ /»

.. ! 1

1 1Т

'У*

Я

<

V

1 ' 1

1 ----

_____— г 1

/у ____

I.

0.2

ьт

аь ы оЗ 'о Чм

Рис. 4. График зависимости изменения средних отметок дна занесенного верхнего бьефа во времени

О = 19 л/с и Н = 0,447 м

в) при возведении 2-х барражей с 1уф/Н = 0,17.

аз

5 да I

51»

ь

г

I 1

! - — -г----

И

} / /Г"

'-------- -/1

аг

о.*

о в

при концентрации наносов равной р = 0,1 г/л;

а) при возведении 1-го барража с 1,(

б) при возьеденим 2-х барразкей с Ь

а) при возведении 1-го барража с I, /Н = 3.3 м и = 0,33; , ,и . .„ _ , у, /н = О

С'Р "лгч - ->'3. ^лг,-/" " бра

бр/" = 3-3' Ьбр/Н = 5,4

Т '

а

бр!' " " '"бра

г) при возведении 3-х барражеЯ с ^Ср1/Н = 0,06.

*бм/Н = ^бр/" = 3>3> ЬСра/Н = 5'4'

Р Чрз^ =.7,4 , Ч2/Н =

_ £/] Ц" ГI- до ^>оЛеШия ¿- - расстояние от ' ■ J баррелей плотины до стВора

ooio

О035-

Оозо

* 0-05S

*

ь <#

t о. ого ь

■ч

\ oo/sl

•о

<5

а о/о

OOOS

.„■> _ __

'••H S -"'"'Л—У- „

д Jfiti.an; ^i.iij

УJgs'.'fijpiai; i

Jf*.

о

Рис. 5

JOO

2oo

300

4oq

Soa

Зависимость величины допустимого объема занесения И^огт от концентрации лонных наносов р и от времени при различных схемах возведения барражей

Рис. £ График зависимости хтЬ."^^^ » <-г"н ~ начальная скорость гряды: I -"до во з ве ден ия^бартажа, 2 - после возведения одного барража

7 ¿Нечетная схеьв призмы отложений наносов перед барражом