автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Гидравлический режим и заносимость речными наносами русловых портовых акваторий

и о !Ц

НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОМТЕЛЫШй ИНСТИТУТ ии.В.В.КУЙШШЕВА

На правах рукописи

Малыгин Владимир Николаевич

уда 627.215.3.002.2

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕВИ И ЗАНОШОСТЬ РЕННЬШ НАНОСАМИ РУСЛОВЫХ ПОРТОВЫХ АКВАТОРИЯ

Специальность 05.23.07 - "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г.Новосибирск

1092

Работа выполнена в Новосибирском институте инженеров водного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Е.Н.Грачев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Г.А.Распопин, кандидат технических наук А.Е.Барышников.

Ведущее предприятие - Государственное предприятие "Водные пути Обского бассейна".

Защита состоится " 25 " июня_ 1992 г. в 15.00

в 306 аудитории на заседании Специализированного совета по защите диссертаций при Новосибирском инхенерно-сгроигельном институте иа. В.В.Куйбыг.^ва по адресу: 630008, г.Новосибирск, ул. Ленинград екая, ИЗ.

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " /^Г"

Ученый секретарь Специализированного совета

-<И

с.т.н. ¿глл-с/0^ Т.Л.Рохлецова

'•.....ОЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

!. а |

гдйА к г у а л ь н о с т ь проблемы. Освоение новых •СЙЙЦб'а |в нашей стране для промышленного строительства и для сель-кого хозяйства вызывает потребность в увеличении объемов грузопе-евозок при соответствующем обеспечении плановых грузопотоков по нутренним водным путям, составной частью которых являются пункты тстоя флота.

Известно, что затоны для отстоя флота устраиваются в виде бе-зговых ковшей или акваторий, образованных оградительными дамбами, ыдвинутыми в русло реки. Последний вид затонских акваторий в на-тоящее время получил наибольшее развитие, в связи с необходи -остью расширения существующих береговых ковшей вследствие увели -ения численности и габаритов судов, а также из-за застроенности рилегающих территорий производственными цехами и жилыми зданиями.

Опыт эксплуатации акваторий для отстоя флота показывает, что о ряда' затонов, образованных русловыми оградительными дамбами, негодные объемы дноуглубительных работ превывавт сотни тыс.и3 рунта, в связи с чей для планирования и организации путевых работ озникают задачи количественной оценки заносимости затонов, прове-енив мероприятий по ез снитанкю и обеспечении нормируемых около -ических условий - нормируемого водообмена.

Затраты на поддержание необходимых глубин в затонах объясняют-я не только относительно большими ежегодными объемами работ в их, но и затруднениями проведения дноуглубительных работ, связанней с засоренностью акватории металлическим ломом, топляками и ругими предметами к материалами. Кроме этого, технология произ-одства работ в акваториях такпз осложняется стесненными условия-и для маневрирования дноуглубительной техники.

Цель работы и задачи исследований . Цель диссертационной работы - разработка научно-обосно -анкых методов расчета заносимости затонских акваторий, образован-ых оградительными дамбами, и управления гидравлическим режимом в их для уменьшения заносимости и обеспечения нормируемых экологи-зских условий.

Для достижения поставленной целя потребовалось решить следу -цио задачи:

I. Обобщить результата выполненных исследований для выяснения бщих закономерностей гидравлического резтаса в затонах.

п о-

2. Провести лабораторные исследования на схемамиг ированных моделях затонов, образованных руслосыми оградителыь:.чл дамбами.

3. Разработать математическую модель процесса водообмена меа-ду транзитным потоком и областью вторичного течения, образующей • ся на участке расширения потока.

4. Разработавь математическую модель управления гидравлическ! режимом в затоне подачей воды на акваторию для уменьшения заноси-мости и обеспечения регламентируемых требований к качеству воды.

5. Разработать методику расчета заносимости затонов, образо -ваннах русловыми оградительными дамбами.

Научная новизна работы заключается I следующем:

1. Впервые на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по управлению гидравлическим режимом в затонах, образованных русловыми оградительными дамбами с целью уменьшения их заносимости и обеспечения нормируемых эколоп ческих условий.

2. На основе теоретических и лабораторных исследований получе ны расчетные зависимости для вычисления расхода водообмена между транзитным речным потоком и областью вторичных течений и для опрс деления расхода воды в водоворотах.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета заносимости ватонских акваторий, образованных оградительными дамбами, и разработке реке мендаций по управлению гидравлическим режимом с цель» уменьшения заносимости затонов и обеспечения регламентируемого качества водь в них.

Апробация работы. Результаты исследований пс теме диссертационной работ!' докларывались автором и получили поле жительную оценку на конференциях ЗСНТОЗТа к НШЗТа (1983, 1984, 1986, 1991); 1У координационном совещании по проблеме "Исследование русловых процессов на реках и в устьях рек и разработка методов их учета для различных отраслей нгродного хозяйства" плана НИР, научного направления "География" КТС Госкомнаробраза СССР (Луцк, 1989); У1 Межвузовском координационном совещании по пробле ме эрозионных русловых и устьевых процессов (Ташкент, 1991); на техническом совете Ленского объединенного речного пароходства (1984, 1991). По теме диссертации опубликованы две статьи в труда НИИВТа, тезисы доклада на 1У координационном совещании по проблем

гследование русловых процессов на реках и в устьях рек, и разра-гка методов их учета для различных отраслей народного хозяйства" уцк, 1589); тезисы в материалах Всесоюзной конференции "Развитие эизводстЕенных сил Сибири и задачи ускорения научнс-технического эгресса" (Томск, 1990). Результаты рабсты использованы при ре -нструкции Новосибирского путейского затона на р.Оби; Ленинского йона Омского речного порта на р. Иртыш и З&тайского затона на Кена с суммарным экономическим эффектом 113 тыс.руб.

Структура и объем работы. Диссертация стоит из введения, четырех глав, заключения, списка испольозван-й литературы, включающего 129 наименований, и приложения. Оенов-е содержание работы изложено на 170 страницах машинописного тек-а, 31 рисунке и 15 таблицах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

3 о в и е д е м и и дается обоснование актуальности темы ссертации, необходимости проведения исследований по изучению гид-влического рекима потока в области его взаимодействия с оград:? -льными дамбами; показана актуальность исследований по оценке га-симссти затонов речными наносами и разработке мероприятий по е;; итению и обеспечению нор<ируемых экологических условий. Приведз-сведения об апробации результатов исследований.

В первой главе представлены об-дие сведения о -пи;: затонах, образованных оградительными соорулвниями, выполнен 1Лиз существующих методов расчета гидравлического режима и зано-лости акваторий. Приведет: данные об объемах дноуглубительных 5от по расчисткам затонов от наносов по ряда' бассейнов России.

На основе анализа гидрологического регзз<а рек, плановых компс-ео:< затонов и сведений об объемах дноуглубительных работ в них, хаза ко, что занэсимость затонов определяется кх р-аспологениеч в »ной долине и местными условиями. 1С неблагоприятным местным ус -виян можно отнести значительные выносы взнесенного материала пз рагоп; вследствие рагмыва островов, осередков, берегов; из про-

и ручьев, расположенных выггз акваторий. Креме этого, заноси -;ть затоков моглт ггметь тесную связь с руслошми циклическими реформированиями, происходящей п реке. Напр::мер, при персмегз-« побочнзй, ссоредков, кос и т.п. в сторон/ акваторий. Примером,

подтверждающим сделанный вывод, могут быть затоны Хате Некого СРЗ, Мархинский затон, Барнаульских РММ. Проведенное рассмотрение по А затонем России позволило сделать вывод, что назначению компоновок проектируемых акваторий, должен предшествовать геоморфологический анализ, с учетом которого может быть выбрано место затона в peí; ной долине. В случае благоприятного руслового процесса в бытовых условиях до устройства акваторий эти условия необходимо, по возмс ности, сохранить. Предупреждение развития нежелательных русловых переформирораний может Сыть достигнуто ограничением степени стеснения потока, созданием проницаемости поперечных частей глаголеос разных даиб, плавным сопряжением поперечных и продольных участко; оградительных сооружений.

Из рассмотрения существующих затонов видно, что большая част! их является непроточным.:. Это может привести к загрязнению акватс рий и превышению предельно допустимых концентраций вредных вещее-) в воде.

В периодически проточных затонах, например, Нюрбинском затож на р.Ьилюй, размещенном в устье притока, происходит естественное освежение воды, .ю возникает другая проблема - интенсивная заноа мость акватории затона.

Для удовлетворения экологических требований все проектируемы! и вновь строящиеся затоны должны быть проточными. Например, в оградительной дамбе проектируемого Архангельского затона для судов местных линий предусмотрен 6-ти метровый разрыв для пропуска вор в поперечную часть оградительной дамбы Новосибирского путейского затона заложены три трубы 720 мм для подачи воды на акваторию.

Большой вклад в исследование гидравлического режима и заноет сти затонских акваторий и их аналогов - водоприемных ковшей - bhi ли известные ученые - прежде всего: А.С.Образовский, Е.К.Трубина Е.Н.Грачев и др.

Несмотря на большой объем выполненных исследований, до часто ящего времени отсутствуют надежные зависимости по определению ва: нейшей гидравлической характеристики - обменного расхода, опреде ляющего в значительной степени заносимость затонов. Отсутствуют исследования по управлению гидравлическим режимом в затонах, обр зованных оградительными дамбами.

Для систематизации изучения затонов и последующего анализа а тором диссертации впервые разработана классификация затонских а ваторий, образованных русловыми оградительными дамбами.

А»

Анализ опыта эксплуатации затонов и существующих результатов исследований по ним показал, что не все проблемы репены пол -ностыо, в частности, отсутствуют надежше зависимости по определению расхода водообмена; вообще не проводились исследования по управлению гидравлическим режимом в затонах, образованных оградительными сооружениями.

С учетом отмеченного выше формировались цель и задачи вьтол -ненных автором диссертации исследований.

Во второй главе приводятся результата экспериментальных исследований гидравлического режима потока на участке внезапного расширения за продольной частью оградительных сооружений (рис. I).

Целью экспериментов было изучение, кинематики течений, определение расхода водообмена, расхода циркуляции и минимальных, так называемых критических отношений скоростей 1 [Ua/U,)KP , 1ри которых "гасятся" водовороты - области аккумуляции наносов, {роме этого, при проведении лабораторных исследований предусматривалось определение геометрических раачеров и форл зон вторичных течений.

При расчете гидравлических моделей в качестве определяющих критериев были приняты Fr=idem , Re и условие А.А.Саба -«ева. Общая длина гидравлического лотка 28.0 м, ширина 1.30 м.

Кинематика поверхностных течений изучалась по фотоснимкам по-зерхностных парафиновых светящихся поплавков, отснятых фотокамера-ш, оборудованными затворами циклического действия.

Величина расходов воды на моделях устанавливалась по ртутному шфманометру и расходомерной гайбс. Для координирования положения ¡ертикалей, створов и границ зон вторичных течений и фотосъемки :зетящихся поплавков на дно модели была нанзсена сетка с раачера-ш сторон 20x20 см. Скорость потока на вертикалях измерялась труб-:ой Бентиеля, модернизированной В.А.Долгашевым.

Положение донных линий тока устанавливалось введением в при -юнные слои водорастворимого красителя - нигрозина - и нитешх -люгероп. Для визуальной оценки кинематики течений в зоне взаимо-:ействия оградительных соору;;вний с потоком на модель подавалась .люминиовая пудра.

Гидравлические и геометрические параметры моделей варьирова -:ись в пределах изменения натурных параметров, определенных по 44 ¡атомам России. Всего проведено 31 серия опытов, в каждой из кото-

Рис. I. . Схема руслового затока:

I - поперечная часть дамбы; 2 - продольная часть дамбы; 3 - транзитный поток; 4 - водоворотная область; 5 -- центр водоворота; б - линия нулевых осредненных продольных составляющих скоростей; 7 - акватория затона; В - бытовая ширина русла; в - ширина сжатого потока; сI - ширина входа в затон; $ - длина продольной части дамбы; и - длина водоворотной области; 1Ц.Л - расстояние от сечения 1-1 до центра водоворота; оС - угол 1.:ежду линией нулевых продольных составляющих скоростей и осью потока; р - угол наклона поперечной части дамбы к потоку; х, у - текущие координаты

а

рых было по 5-7 вариаций отношений йа /й„ , где йа - сред -няя скорость течения на акватории затока; и„ - средняя скорость в сгатом сечении, в сечении,стесненном оградительной дамбой.

В проведенных опытах установлены области с устойчивыми обратными скоростями и зоны с периодическим появлением обратных скоростей течения; такие определены длины водоворотных зон, имеющих значительные флюктуации размеров. Протяженность водоворотов находится в диапазоне размеров, определенных А.Н.Рахмановым, В.М.Би -ковым, И.В.Лебедевым, И.И.Леви и др. исследователями. Наряду с этим, следует отметить, что имеет место заметное расхождение в результатах этих исследований, которое, по-видимому, можно объяснить соответствующим различием в оценках авторов размеров зон вторичных течений при отмеченной выше неустойчивости размеров границ этих зон. Кроме этого, расхождения в оценках могут быть объяснены условиями моделирования.

Автором диссертации были определены координаты центров водоворотных зон в виде безразмерных отношений [ , где I - расстояние от головы продольной части дамбы до центра водоворота;

Ь - длина водоворота. В проведешых опытах отношение изменялось в пределах от 0.42 до 0,71; по А.С.Образовскому эта величина составила 0.32, по А.Г.Аверкиеву - 0,67.

Проведенные опиты показали практически полное совпадение траекторий поверхностных и донных течений.

Исследование кинематики потока в зоне вторичних течений и в погранзоне, разделяющей транзитный поток от водоворота, показало следующее: погранзона представляет собой вихревую дорожку с увеличивающимися вниз по течению размерами вихрей; эта область дзижения воды характеризуется значительными пульсациями и неустойчивыми границами. Вторичные течения, или иначе водоворот, наводятся турбулентными касательными напряжениями та внегшей границе. Через внекнюю границу водоворота, вследствие значительных турбулентных пульсаций, происходит водообмен. Описанная гидравлическая схема взаимодействия транзитного потока с водоворотом находит подтверждение в исследованиях Л.Н.Александрова, А.С.Образовского, А.С.Офи-церова, А.Н.Рахманова, Е.К.Трубиной и др.

Количественная оценка расхода циркуляции - расхода воды в водовороте изучалась на основе пуска светящихся парафиновых поплавков. В связи с малоди величинами скоростей и икавшими место пульсациями, измерение скоростей течения з этой зоне другими способа-

ми оказалось затруднительным.

Максимальные скорости течений наблюдались в обратных ветвях водоворотов в створах, проходящих через их центры; значения этих скоростей составляли 0,15+0,30 от средней скорости в начальном участке расширения. Полученные результаты нашли подтверждение в работах: З.В.Баланина, В.М.Шкова, Г.М.Кузовлева, И.В.Лебедева, А.Г.Соловьевой, В.М.Селезнева.

Проведенные опыты показали, что при степенях стеснения потока d/Ь от 0,1 до 0,3 отношения скоростей в водовороте к скоростям в сжатых сечениях практически постоянны. Это заключение отличается от выводов А.Г.Аверкиева, А.С.Офицерова и Е.К.Трубиной.

При проведении экспериментальеых исследований автором также изучалась гипсометрия водной поверхности при помощи гидравлического нивелирования и измерительных тестеров.

Для определения величины расхода водообмена между транзитным потоком и водоворотом автором был использован метод, разработан -ный Е.Н.Грачевым, основанный на регистрации изменения во времени оптической плотности предварительно окрашенной воды, находящейся в водовороте. В отличие от исследований процесса водообмена в бе -реговых ковшах, применительно к которому использовался этот метод, при оценке водообмена в изучаемых водоворотах имели место значи -тельные затруднения, в связи с наличием относительно длинной пульсирующей внешней границей зоны вторичного течения. Отбор проб производился в фиксированных точках водоворота через интервалы времени 5+30 с; для получения достоверных данных опыты неоднократно повторялись.

Отобранные пробы помешались в специально оборудованный объектив и просвечивались в системе: источник света - люксметр, по показаниям которого оценивалась интенсивность окраски проб, и далее при помощи тарировочного графика определялась величина расхода водообмена Qui . Изменение оптической плотности окрашенной воды в водовороте, вследствие водообмена, иллюстрируется рис. 2; ось ор -динат - отношение освещенностей люксметра при просвечивании окра -шенной и чистой воды; точки, обведенные кружками, - границы, соответствующие интервалам относительно устойчивых показаний. Из рис.2 видно, что при увеличении времени разброс точек возрастает, вследствие осветления воды, т.е. и в результате увеличения относительной ошибки измерений.

Результаты измерений и вычислений значений Oof согласуются

Серия - I

Серия - В

♦ » ♦ • ♦ ♦

* + ♦ ♦ <- »

*

♦ 4 ♦

го ео го 121

О 150 НО 210 МО НО 100

и

♦ *

4- * * ♦ ♦

*

•

0 .

зо ¿о аз но 150 но 2'0 г-.о гю ¿со ——г. с

1,0 -с.'-

РЗ-

1 С.'1 01

с,г

Серия -

•.. •

♦ ♦ * *

•

• 0 * ♦

♦

I «И-

Сэркя - ХП

Зс 10 50 120 150 100 £10 <"10 гы -—

• 4

го СО 30 КО 150 СО НО ко Но ¡со

-—-.а

Рис. 2. ИС.-!СН0!!И2 ОН'^КЧОСКОГ: п.-07нссги окршгзнноП ВОр! го ерс»'сни зслздстрии подосбксип

й

с данными теоретических исследований автора, в соответствие с которыми отношение QoS / 0Р , где Q<p , так называемый фиктивный расход равный Q4>=noclh. , составило 0,425. При степени стеснения потока d/B = 0,1 уменьшение отношений Qo<j/Q<p до 0.155, по-видимому, объясняется влиянием боковых поверхностей,т.к. размеры ширины входа на акваторию - 13 см, близки к глубинам потока - 5*10 см. Наряду с этим, следует отметить, что для стеснения 0,1 результаты получились более близкими к данным А.С.Обраэовскогс

Высокая трудоемкость выполнения экспериментальных исследованш по определению Q«r , связанная с нестационарностью изучаемого гидравлического явления, и необходимостью окрашивания значительны: объемов воды при локализации зон вторичных течений, позволили провести опыты лишь в ограниченном объеме, хотя и дали возможность выполнить сопоставления с данными А.С.Образовскогс, Е.К.Трубинсй ! сделать оценку результатов теоретических исследований.

Исследование гидравлического режима проточных акваторий выполнено для различных геометрических и гидравлических параметров моделей. Величина проточности оценивалась по отношению средней ско • рости течения на акватории Ua к средней скорости в скатом сечении U„ , т.е. по отношению R = Ûa/U0 .Во всех опытах значе • ния R варьировались в пределах от 0 до &кр , так называемоп критического отношения скоростей, при котором исчезает водоворот : устанавливается режим соединения потоков.

Изучение кинематики течений для рассматриваемых условии осуше ствлялось на основе пуска алюминиевой пудры и светящихся парафина вых поплавков с фиксированием картины течений на фотоснимках.

Основными задачами исследований было установление критических отношений RKp , а также геометрии трансформированных зон вторич ных течений, вследствие создания проточности на акваториях. При проведении опытов уделялось внимание определению размеров живых сечений выходящего из затона потока в створе, расположенном и на чале участка расширения. Интерес к определению этих размеров объ ясняется тем, что выходящий из затона поток локализирует трансфор мированную зону вторичного течения от основного взвесенесущего транзитного потока, и тем самым, в случае подачи на акваторию ос ветленкой воды, препятствует поступлению наносов в водоворотную зону и отлогению в ней наносов. Трансформация водоворотных зон дл одной из серий опытов иллюстрируется на рис. 3.

Проведенные опыты показали, что значения RKp практически

являются стабильными при всех вариациях геометрических и гидравлических параметров с1/Ъ , Гг , Ь/В и находятся в пределах от 0.14 до 0.18.

Подача осветленной воды на акватории для обеспечения условия К - может осуществляться через водопропускные устройства из

верхних слоев потока.

Третья глава посвяцена теоретическим исследованиям по определению гидравлических характеристик потока в зоне взаимодействия с затонскши акваториями, образованными русловыми оградительными дамбами и, в частности, - разработке математической модели для определения обменного расхода. В этой главе также рас -смотрены вопросы, связанные с определением расхода воды г содово -роте и управлением гидравлическим режимом в затонах.

¡•Сак следует из работ А.С.Образовского, Е.К.Трубиной, Е.Н.Гра -чева, расход водообмена может быть определен через скорость попе -речного переноса на границе транзитный погок-водоворотная область по выражению

т

Цо^-^г") ф|и;$|с^с1$ ч)

о 5

где К - средняя глубина потока на участке распирения; Т - период осреднения; |и;?| - величина пульсационной компоненты скорости на границе водоворота;

5 - длина внешней контурной линии водоворота (см.рис.1). При продолжительном периоде времени Т вместо (I) можно записать

\ ^ С2)

определения величины пульсационной компоненты скорости

длина пути смешения С может быть вычислена по формуле А.Г.Соловьевой

I ■■ 0.02«/хП (3)

Градиент скорости может быть определен как отношение значения осредненной продольной составляющей скорости на границе раз -дела поток-водоворот к соответствующему расстоянию между внешней границей водоворота и линией нулевых значений продольных составл> ющих скоростейСрис. 4).

Наиболее удобными зависимостями для расчета поля скоростей и,-участке внезапного расширения потока являются формулы В.В.Еалани-на-В,М.Селезнева, которые записываются в виде

6

О = j Ü^dtj = const

u:

es;

В (4), (5) обозначено;

Ujc,^ - осредненная продольная составляющая скорости течения; Uo - скорость течения в затоне;

U0 - скорость течения в транзитном потоке в начале участка расширения;

- соответственно, продольная и поперечная координата; ClR - эмпирический коэффициент, определяемый из опытов; erfx - интеграл вероятностей;

Z-¡¡- - член уравнения (4), представляющий потенциальную энергию.

Автором диссертации на основе проведения экспериментов и расчетов по формулам (4), (5) получена зависимость для определения ¡ э^фициента aR=ab(L/d ; d/б , h/в) , входящего в формулу (4), В качестве критериального условия для определения коэффициента а была принята длина водоворотной зоны.

В рассматриваемом случае - непроточное состояние затона Ü

о

¿¡с-1Ц9 7 2 ' г п Л? /л

С ~ —- 1Т- "о

—

Опыт ¿¿2

й„Ч7,£0

15,5 - 7Т

■>4

Опыт УЛЗ

йгп.п

и-0,73

. --

Опыт УЗУ

¿¡„•а.к

И' 1.3Й "V э,- —а » 7

'"г? •

Опыт

и-гоо '.у Э* г УУ ■

-р Л'

Опыт л'бб

О.'Пр

в'

г .; &

Опыт

й.-п, эз

V гт-*- э-

VII

Ркс.З. План ?раис.$ориации водооорогиой сони

Рис. 4. Геометрические элементы внезапного расширения:

й„ - скорость в сгатом сечении; 6 - ширина потока в сгатом сечении; Б - ширина потока на участка внезапного расширения; с1 - ширина уступа (ширина входа в

затонскую акваторию); Ь - длина водозорота;

1 - внешняя граница водоворотной зоны,

у^в-а^х»

2 - линия нулевых значений продольных

составляющих скоростей.

Формула (2) с учетом СЗ), (4), (5) может быть представлена в

виде

О* = ^Г | 0.0224 (6)

где - скорость на внешней границе водоворота;

Уа У| " соответственно, поперечные координаты точек на внешней границе водоворота »; линии нулевых продольных составляющих скоростей С см.рис.4). Проведенные расчеты го уравнениям (4), (5) и результаты экспериментальных исследований показали, что выражения для у, и уг могут быть записаны в виде

У.-В-Л+^гх'-5 17)

и

уг=в-а + -£-х (6)

Выражение (6) с учетом (7), (8) будет

(}о5=о,опаке5 ]г£ ¿х

(91

где х - параметрическое значение координаты х , изменяющей ся в пределах от 0 до Ь .

При записи уравнения (9) принято еще одно допущение - замена криволинейной координаты Б продольной координатой х .

Учитывая больную трудоемкость и, соответственно, лродолхител) ность вычислительного процесса, при введении в подынтегральное в. ражение (9) формул (4), (5) для вычисления значений иа.,. н основании предварительных расчетов этих величин, сделано заключэ ние о возможности введения аппроксимации

¡1. • ио

Подстановка (10) в (9) дает

о.^цопги^й,,]^ (Ш

(X.

—} , 0 £ у I Еместо (II)

получено

- 1г 1 ("У'* . би=цоамы1.-^-] ар , (12)

(13)

где - безразмерный параметр от X

Интегрирование (12) дает

Ом =0,0221 К йо£а[|+

ЛЛИ при X = Ь

£)оГ = 0.0168 К (14)

При введении коэффициента, учитывающего неравномерность рас -ппеделения скоростей в живых сечениях, окончательно получено

9оУ= о.опе к й0 -у- (15)

Анализ результатов расчета по формуле (15) показал от-

носительно близкое соответствие их данным экспериментов автора диссертации; относительное расхождение полученных результатов~35%.

Формула (15), в отличие от зависимостей А.С.Образовского и Е.К.Трубиной, свободна от ряда допущений, основными из которых являются: отсутствие учета степени стеснения потока, несоответствие колнчестзенкых характеристик кинематики в исследуемой области движения потока фактически данным. Результаты проведенных исследований позволили получить расчетную зависимость для определения об -

менного расхода к дать гидромеханическую интерпретацию узучаемого процесса.

Для определения расходов вода в циркуляционных зонах на

ЭВМ были вычислены плэсдди эпюр з ветвях подоворотов в сечениях, проходящих через центры зон вторичных течений, в которых поперечное составляющие скоростей равны нулю. Результаты расчетов площадей эпюр скоростей $ приведены на рис. 5. Аппроксимирующая зависимость для $ = 3 (о!/в) может быть представлена в виде

$ = 0.1132 (¿/В)'''' (х6)

Учитывая, что в расчетах было принято В = 1, К = I, ио=1'. переход к выражению для определения расхода 0«, в формулу (16) введено произведение ВЬй0 , т.е. вместо (16) следует записать

СЦ = 0.1132 (¿/в)1'* ВЬЙС (17)

Выражение (17), наряду с формулой (15),являются основными зависимостями, характеризующими процессы массообмена в водоворотных зонах.

Расчеты по оценке трансформации водоворотных зсн, выполненные п^ формулам (4), (5), при вариациях отношений иа/^0 показали удовлетворительное соответствие данным лабораторных исследований .

График для определения геометрического параметра С /й , гд?з С - ширина живого сечения, выходящего из акватория затона потока (рис.6), в функции отношений £=йа/й0 приведен на рис. 7; аналитическое его выражение может быть представлено в виде форму".:?

у =2,4-(3,7-26,5 П)2/з

Для оценки соответствия расчетных значении с/б, , вычислен -ных по формуле (1С) с непосредственными данными экспериментов, определено среднее квадратическое отклонение этих величин, которо:-составило 0,153.

Приведенное сведения о режиме проточных акваторий являются ;;о-статочкими для выполнения расчетов, связанных с управлением гид -раЕЛическпм режимом,с целью уменьшения ааносямости подходных у>-'::.-

Рис. 5. График зависимости

Еодоворотной зоны

стков и обеспечения нормируемых экологических условий.

В четвертой главе приведены рекомендации п< расчету заносимости затонов и управлению гидравлическим режимом : них. Известно, что деформации дна в областях вторичных течений происходят в основном в результате выпадения взвешенных наносов, вследствие более низкой транспортирующей способности циркуляцион ного течения по сравнению с транзитным потоком.

Процесс водообмена и взвешенными в потоке твердыми частицами является следствием турбулентной диффузии через зону смешения;пр] чем этот обмен происходит как между циркуляционной зоной и тран ■ зитным потоком, так и по ширине водоворота.

При рассмотрении процесса аккумуляции взвешенных наносов 1 диссертации принята схема, разработанная Е.Н.Грачевым, в соответствии с которой перемещение взвешенной частицы вдоль криволиней -ной оси - траектории движения струй в водовороте иллюстрируется рис. 8.

На рис. 6 обозначены:

- минимальный путь, который "должна" пройти взвешенная частица в водовороте при условии ее выхода в транзитный поток;

гидравлические крупности взвешенных частиц и траектор! их падения из одной и той же точки на вертикали. Начальный момент времени ( X = 0) соответствует прониканию част] через зону смешения в водовороткую область. Соотношение между Ы, и Ы2 •

Основными факторами, определяющими заносимость зон вторичных течений, образующихся за русловыми оградительными дамбами, являют ся: величина обменного расхода, начальное распределение вэвешенш наносов по глубине потока и транспортируюцзл способность циркуляционного течения; расход наносов, поступающий в водоворот, будет определяться коэффициентом турбулентного перемешивания и градиентом мутности, достигающим наибольшего значения в нижних слоях потока. Таким образом, интенсивность выпадения находящихся в водовс роте твердых частиц на дно будет зависеть от их гидравлической крупности, скорости циркуляции, пульсации потока в водоворот^ой зоне, глубины потока, размеров зоны циркуляции, т.е. будят зави -сеть от времени достижения частицами дна и от времени замены объема воды в водовороте. Время замены объема вода в водовороте устг новлено из соотношения величин расхода в циркуляционной зоне и о'

Рис. 8. Схема татадения взвешенных твердых частиц в водоворотной зоне

менного расхода.

На основе изложенного и полученных в диссертации зависимостей для Q0j и Цц оказалось возможным получить выражения для расчет.. поступающих в зону вторичных течений и выходящих из нее расходов наносов, и тем самым определить интенсивность аккумуляции наносов.

Величина обменного расхода может быть определена по полученно выше формуле (15), которую здесь удобнее представить в виде

0^= O.OIie k*К Й. d, (19

где - коэффициент, принимаемый на основе натурных,ла

бораторных данных или определяемый по расчету.

Распределение скоростей течения по глубине потока принято по зависимости

0 _ ЕяП + УоО

Lima," Ml+'Д) ' (2°

где и - осредненная скорость в точке на вертикали;

1/та, - максимальная скорость на вертикали; ^ = - относительное удаление от дна;

оС= - относительная шероховатость;

с^ - диаметр частиц донных отложений - "зернистая" шероховатость.

Распределение мутности по глубине потока принято по зависимости М.А.Всликанова

г-л(-г^).

где ^ - осредненная мутность в точке на вертикали;

- осредненная мутность у дна;

безразмерный гидравлический параметр; здесь г/о - гидравлическая крупность; Ьг~ - динамичс -екая скорость; дг - постоянная Т.Кармана.

Из формул (19)-(21) следует, что величина твердого расхода, поступающего из транзитного потока в циркуляционную область, буде^

(От,)« = 0.0118 кгс/Крз ип»ф(х,р), (22)

где - интегральная функция величин ог и р , представ -

ляюшаяся в виде

**■'>•} и(и'А) \1Щ.) Ь- 1>

ы

3 расчете осаждения взвеси в циркуляционной зоне использованы зависимости М.А.Зеликанова-А.П.Зегнды, в соответствии с которыми вероятность выпадения взвешенной частицы на дно определяемся по формулам

Р = —[еЛв, (24)

{Т -I

где верхний предел интеграла вероятностей

_(25)

{¡Г - 0,2

Физическая сущность величины Р состоит в том, что ото есть вероятность того, что частицы с гидравлической крупностью ъЛ , находящиеся в начальном сечении на высоте Н от дна, упадет на дно на отрезке длины от 0 до .

Расстояние 5» может быть определено произведением средней скорости циркуляции на время пребывания этой частицы в водовороте. Средняя скорость движения в водэвороте будет

где (Зц, - расход воды в области циркуляции, определяется по

формуле Л7); п~ 25 - показатель степени. Зремя замены воды в водоворотной зоне определяется отношением объема области циркуляции к величине обменного расхода, т.е.

аФт« =8 (бт8)в,

(32)

или

л^м = 0.0)18 • £ к2с1^ К йтал (33)

Величина р^ в (33) при известной средней мутности на вертикали для соответствующей фракции монет быть вычисле-

на по формуле

А V] (ттУ^

При подстановке в формулу (33) объемной денной мутности величина лОтв будет иметь размерность мэ/с, при подстановке массовой мутности - кг/с.

В соответствии с рекомендациями Е.Н.Грачева, расчет оаносимо-сти зон вторичных течений следует производить для назначаемых по гидрографу определенных интервалов времени, в пределах которых уровень вод; в реке и связанные с ниы другие параметры потока пало изменяются. В случае значительной разнофракционности наносов расчет необходимо выполнять для каждой фракции отдельно с после -дующий суммированием результатов.

Основной целью проведенного здесь рассмотрения процесса аккумуляции наносов явилось уточнение расчетных зависимостей для оценки расхода водообмена, расхода циркуляции и геометрических пара -метров зон вторичных течений на основе выполненных в диссертации математического моделирования и лабораторных исследований.

В диссертации приведены алгоритм и программа расчета заноси -мости затонов, образованных дамбами, выдвинутыми в русло реки; расчеты деформаций дна в затоках: Новосибирской па р.Обь, Путейского на р.Иртып, 1атайского ССРЗ на р.Лена, соответственно, составили 66.5, 63.07, 210 тыс.и3 фактические объемы выпавших накосов в этих затонах, определенные по планам съемок, соответственно, равны 54.1, 78.0, 300 тас.и3. Относительные расхождения вычисленных объемов наносот с фактически;.!;!, соответственно, составили 22.9, 19.1, 16.0%.

, _ ;п1_

7- ~ 0,0НЗ(^)г Йо ' (27)

где т = 0,66- коэффициент "полноты" плановой формы зоны цирку -ляции.

Расстояние ,с учетом сделанных определений,будет

_4(2чЬ '_

(»--{?)]■ <28)

Для определения доли выпавших наносов от общей массы, посту -пившей в зону циркуляции, должны быть вычислены интегральные величины плоыадеЯ эпюр безразмерной мутности р , выражающие относительное объемное распределение взвеси по глубине.

Формула к вычислению указанных интегральных величин может быть записана в виде

= 1 (тг^г) ^ (29)

V,

где , - переменные граничные значения переменной ,

изменяющейся от оС до I. Доля выпавших наносов от всей массы, поступившей в водоворот-ную зону, будет

<?, р| р| 'Г;Рг +.....р-р- , (зо)

л

При вычислении верхних пределов интеграла вероятностей А средние скорости циркуляции 0Ч на интервалах глубин от

До оС вычисляют по формуле

йцС?) = йч 7ол (31)

"Интенсивность Еыпадения взвеси с учетом (22) и 130) бпределит-ся по выражению

В этой же главе рассмотрены вопросы регулирования гидравлического режима в затонах с целы? уменьшения заносимости и обеспечения нормируемых экологических условий. Приведены сведения, предъявляемые к качеству воды на акваториях; рекомендации по вычислению нормируемых коэффициентов водообмена и результаты внедрения этих рекомендаций в затоне Новосибирских РММ.

В заключении приведены основные результаты выполненной диссертационной работы:

1. На основе материала ранее выполненных исследований и опыта эксплуатации существующих затонских акваторий выявлены определя -ющие гидравлический режим параметры, разработана классификация для затонов, образованных русловыми оградительными дамбами.

2. В результате анализа существующих работ и данных экспери -ментальных исследований автора определена общая схема взаимодей -ствия транзитного речного потока с затонскими акваториями, образованными русловыми оградительными дамбами.

3. Разработана математическая модель процесса водообмена на основе принятых положений теории турбулентных струй с целью получения расчетных зависимостей, свободных от отмеченных в диссертации ряда допущений.

4. Исследована в лабораторных условиях кинематика течений на участке расширения потока за оградительной дамбой.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований определены размеры и гидравлические параметры водоворотных зоч для различных плановых компоновок и режимов транзитного потока.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований впервые дана количественная оценка трансформации водоворотных зон при наличии проточности на акваториях затонов, установлены критические отношения скоростей в затоне к скорости в реке, пси кото -рой полностью "гасятся" водовороты.

7. Усовершенствована методика расчета заносимости затонских акваторий введением полученных автором диссертации зависимостей к оценке интенсивности водообмена и расходов воды в циркуляционных зонах.