автореферат диссертации по энергетике, 05.14.09, диссертация на тему:Кинематическая структура устойчивых русел каналов с частичным укреплением откосов

ВВЕДЕНИЕ.

I. ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ И РАСЧЕТА КАНАЛОВ В ЗЕМЛЯНОМ

РУСЛЕ И С ЧАСТИЧНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ОТКОСОВ.

I.I. Устойчивость русел каналов и методы ее расчета. с

1*2. Основные причины нарушения устойчивости русея каналов.

Г.З. Формирование устойчивого канала в земляним русле и частичным креплением откосов.

I.3.I. Натурные исследования магистральных каналов.

1.4. Выводы и основные задачи исследований.

П. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОГО КАНАЛА В ЗЕМЛЯНОМ РУСЛЕ.

2.1. Описание лабораторных установок, методика исследования и обработки данных.

2.1.1. Методы и аппаратура для исследования средних и пульсационных характеристик скорости.

2.1.2. Характеристики опытов на размываемых моделях.

2.2. Кинематические характеристики потока в размываемом русле.

2.2.1. Формирование устойчивого русла канала.

2.2.2. Энергетические спектры турбулентности пространственного руслового потока.

2.3. Учет влияния средних и пульсационных характеристик скорости на деформацию русла. ПО

2.4. Критерии потери устойчивости потока в каналах из лего размьтаемых грунтов.

В ы в о д ы.

ПГ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ КАНАЛОВ С ЧАСТИЧНО УКРЕПЛЕННЫМИ ОТКОСАМИ.

3.1. Кинематическая структура потока в каналах с частично укрепленными откосами.

ЗД.1. Особенности формирования устойчивого сечения канала с частично укрепленными откосами.

З.Г.2. Энергетические спектры турбулентности в канале с частичным креплением откосов.

3.2. Статистический анализ отметок донного рельефа. Г

3.3. Пропускная способность каналов с частично укрепленными и неукрепленными откосами.

В ы в о д ы.

ГУ. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗИЛЛЯНЫХ КАНАЛОВ С ЧАСТИЧНО

УКРЕПЛЕННЫМИОТКОСАМИ.

4.Г. Анализ существующих методов защиты откосов канала

4.2. Методика расчета каналов с частично укрепленными откосами.

4.2.1. Установление глубины частичного крепления откосов канала.

4.2.2. Установление расчетных зависимостей для расчета каналов с частичным креплением откосов.

4.3. Технико-экономическая эффективность и сравнение вариантов.

Актуальность работы. Продовольственной программой СССР на период до 1990 года,35 принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, предусматривается повышение эффективности и роли мелиорации в обеспечении гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур.

Сельскохозяйственные угодия в нашей стране составляют примерно 30% земельных ресурсов, и площадь пашни достигла 225 млн.га. Площадь земель, нуждающихся в орошении и осушении, оценивается примерно в 150 млн.га.

Водозабор из природных источников достиг 324 км3 в год (что составляет менее 1% речного стока и из них 4% потребляется безвозвратно).

В результате неравномерного распределения водных ресурсов по территории нашей страны на районы, где сосредоточено 85$ населения и производится 80% объема всей цромышленной и сельскохозяйственной продукции, приходится около 16$ общего объема речного стока.

Для решения водной проблемы намечено осуществить грандиозные планы переброски части стока рек: северных - в бассейн реки Волги, р.Дунай - в южные районы Украины, сибирских рек (Иртыш, Обь и др.) - в южные области Западной Сибири и Урала, Казахстан и Среднюю Азию, с созданием в перспективе Буйной водохозяйственной системы страны. Для покрытия дефицита водных ресурсов до 1990 г. необходимо обеспечить всяческую экономию воды засчет:

Продовольственная программа СССР на период до 1990 года и меры по ее реализации. Материалы майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС, 1982, M.f Изд. "Правда", 1982. - Ш.

- реконструкции оросительных систем;

- применения надежных противофильтрационных облицовок;

- совершенствования способов полива и т.д.

В настоящее время в нашей стране колхозы и совхозы имеют свыше 28 млн.га мелиорированных земель. Орошаемые земли, составляя всего лишь около 9$ от площади всей пашни, дают около 32$ валовой сельскохозяйственной продукции.36

Решая поставленные партией задачи, советские гидротехники и мелиораторы добились выдающихся успехов. В южных районах страны: в Средней Азии, на Украине, Кубани, в Краснодарском крае, Северном Кавказе и других районах созданы мощные оросительные системы, базирующиеся на стоке Амударьи и Сырцарьи, Днепра, Волги и других местных рек. При этом приходилось решать сложные научно-технические проблемы, среди которых в последние годы особо выделяется проблема проектирования и расчета крупных каналов.

С ростом площадей орошаемых земель и их удалением от водных источников увеличивается протяженность и пропускная способность мелиоративных каналов. В настоящее время в СССР построено и эксплуатируется более 25-ти крупных каналов с расходом более 100 м3/с. и протяженностью более 100 км. Среди них такие как: Каракумский, Аму-Бухарский, Каховский, Северо-Крымский и др. Общая протяженность мелиоративных каналов составляет около 500 тыс. км, из них около 450 тыс.км проходит в земляном русле и они орошают более 15 млн,га. К 1990 году намечается довести орошаемые земли до 25 млн.га, для этой цели в связи с наметившимся дефицитом воды в местных источниках проектируются мероприятия по региональному

Васильев Н.Ф. Воплощая в жизнь заветы Ленина. - "Гидротехника и мелиорация", № 4, 1980, с;5. перераспределению водных ресурсов, что тоже требует проектирования и строительства крупных земляных каналов, строится канал Волга-Урал. Проектируются супер-каналы на трассах переброски: Дунай-Днепр, Волга-Дон, а также переброска стока северных рек Европейской части СССР в бассейн Волги и части стока сибирских рек, который будет иметь протяженность свыше 2-х тыс.км и расход первой очереди 1000 м3/с.

Учитывая эти и другие особенности эксплуатации таких каналов, к ним предъявляются качественно новые требования такие как безотказность и безаварийность их работы. В то же время, анализ натурных наблщцений показывает, что большинство каналов в процессе эксплуатации претерпевают значительные деформации поперечного сечения. Для поддержания таких каналов в рабочем состоянии требуются большие ежегодные затраты, а при значительной протяженности каналов каждый процент повышения эффективности капиталовложений или уменьшения эксплуатационных расходов может высвободить значительные средства.

Предотвратить деформацию поперечного сечения и обеспечить устойчивость русла возможно за счет частичного крепления откосов канала. Несмотря на то, что к настоящему времени проведено значительное количество экспериментальных и натурных исследований по вопросам деформации песчаных русел, практически не уделено внимание кинематической структуре турбулентного руслового потока. Между тем, изучение кинематических и турбулентных характеристик потока в размываемом русле канала крайне важно для раскрытия механизма воздействия скоростного поля потока на русло и природы разрушения откосов, что позволит дать научно обоснованные рекомендации по предохранению каналов от деформаций без и за счет частичного крепления откосов.

Таким образом, изучение кинематической структуры потока и разработка на основе полученных скоростных характеристик инженерных рекомендаций по предохранению каналов от размыва является чрезвычайно актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью исследований диссертационной работы являлось изучение кинематической структуры штока в руслах земляных каналов и установление на основе анализа скоростных характеристик возможности повышения их устойчивости и пропускной способности с помощью частичного крепления откосов, а также разработка метода гидравлического расчета каналов с частичным креплением.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

- обобщить опыт эксплуатации каналов, проходящих в различных инженерно-геологических условиях, в земляном русле и с частичным креплением откосов;

- провести на каналах натурные и лабораторные исследования по изучению кинематической структуры и условий формирования устойчивых русел в земляном русле, и с частичным креплением откосов;

- изучить влияние частичного крепления откосов канала на кинематическую структуру потока;

- исследовать частичное крепление откосов канала, как способ инженерной защиты канала для повышения его устойчивости и пропускной способности;

- разработать методику расчета больших каналов при частичном креплении откосов.

Научная новизна работы, заключается в том, что впервые с применением корреляционно-спектрального анализа изучены кинематические и турбулентные характеристики потока в условиях конкретных форм русел земляных каналов и раскрыта природа деформаций их откосов. Получены зависимости, характеризующие интенсивность деформаций откосов и дна каналов в зависимости от распределения средней скорости на вертикалях. Изучено влияние относительной скорости на параметры формы русла канала, установлены предельные значения относительной ширины русла, обеспечивающие общую устойчивость земляного канала. Впервые изучено влияние частичного крепления откосов на кинематическую структуру потока, и разработаны практические рекомендации по гидравлическому расчету русел каналов с частично укрепленными откосами.

Практическая ценность результатов исследований. Установленный критерий плановой устойчивости использован для оценки предельных значений расчетных параметров каналов в земляном русле.

Исследование кинематических и турбулентных характеристик потока позволило разработать конкретные рекомендации по оценке необходимой глубины частичного крепления откосов для обеспечения устойчивости канала в целом.

Разработаны практические рекомендации по расчету каналов с частичным креплением откосов.

Решение проблемы устойчивости каналов при помощи частичного крепления откосов позволит уменьшить эксплуатационные расходы, повысить пропускную способность, надежность и безотказность работы каналов при длительной эксплуатации.

Реализация работы. Предложенный способ повышения пропускной способности и надежности работы канала в виде частичного крепления его откосов использован в проекте Кубенско-Шекснинского канала.

Апробация и публикация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: отраслевой научно-технической конференции молодых специалистов Минводхоза СССР в Союзгипровод-хозе (г.Москва, 1976 г.), на Ломоносовских чтениях в МГУ (г.Москва, 1978 г.), на секции русловых процессов ГКНТ СССР (г.Ленинград, 1978 г., г.Ташкент, 1982 г., г.Ленинград, 1983 г.), на секции НИР института "Союзгипроводхоз" (г.Москва, 1983 г.). По теме диссертации опубликовано шесть статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 204 страницах машинописи„ включает II таблиц,- 68 рисунка и фотографий. Список литературы из 127 названий.

Выполненные лабораторные, натурные и теоретические исследования по вопросам взаимодействия потока и русла канала позволяют сделать следующие выводы:

1. Каналы в земляном русле при длительной эксплуатации претерпевают те или иные деформации поперечного сечения, интенсивность которых определяется инженерно-геологическими и кинематическими условиями, а также связана с топографическими и климатическими условиями трассы канала. В наибольшей степени деформациям подвергаются откосы и борта каналов, которые проявляются в виде размывов, уполаживания и "подсечки" откосов.

Анализ обобщения опыта эксплуатации выявил необходимость разработки технических решений для повышения устойчивости, надежности и пропускной способности русел каналов.

2. Назначение средней скорости водного потока в земляном канале меньше или равной ее допустимой величине для данной категории грунта не обязательно является показателем будущей устойчивости его русла.

Сопоставления фактически измеренных скоростей по> ширине русла с допустимыми указывают, что основной причиной происходящих деформаций является воздействие на откосы канала в зоне глубин, меньше средних h^hcp, продольных скоростей, превышающих среднюю скорость Ug > V. Поскольку средняя скорость водного потока назначается из условия равенства допустимой скорости для средней глубины потока, то зона откоса от уреза до средней глубины находится в неустойчивом состоянии.

3. Каналы трапецеидальной формы в земляном русле при назначении в них средних скоростей потока на 20% меньше неразмывающих также подвергаются деформациям, тогда как каналы параболической

формы в тех же условиях устойчивы, что определяется особенностями формирования скоростного поля по ширине русла.

4. Одним из основных критериев, обеспечивающих плановую устойчивость земляного канала, является параметр формы русла 1г -

Анализ уравнения плановой устойчивости показал, что для крупных каналов с hkt<5 м устойчивость обеспечивается при f>/hM ^3,0, при hM > 10 м при B/flM ^ 45.

Одним из путей уменьшения относительной ширины русла, объема земляных работ и эксплуатационных расходов является строительство каналов с частичным креплением откосов.

5. Исследование кинематических и турбулентных характеристик потока в частично закрепленном русле по сравнению с земляным показал, что интенсивность турбулентности продольной компоненты пульсаций скорости в два, а вертикальной в шесть раз меньше.

6. Спектрально-корреляционный анализ показал, что энергия турбулентных пульсаций сосредоточена в низкочастотной области спектра. Спектры пульсаций скорости в канале с частичным креплением откосов более узкополосные. Основной максимум наблюдается на частотах до 0,3 гц. Частота основного максимума по глубине потока не меняется.

7. Над откосами русла канала с частичным креплением спектры пульсаций вертикальной и продольной составляющих скорости менее широкополосные по сравнению с остальной частью русла. Связь между продольной и вертикальной компонентами пульсаций скорости в канале с частичным креплением откосов более существенна, чем в земляном русле, что свидетельствует о более пространственной структуре руслового потока.

8. Частичное крепление откосов кроме обеспечения общей устойчивости также предохраняет откосы канала от воздействия ветро-

вых, судовых или высоких волн перемещения, увеличивает пропускную способность русла.

Особенно эффективно применение частичного крепления откосов канала на участках, проходящих в глубоких выемках, т.е. искусственно "обжатое" сечение дает большую экономию по объему земляных работ.

9. Установлено, что для сохранения условно "обжатой" формы русла с частичным креплением откосов, длина частичного крепления определяется формой русла канала: в канале трапецеидальной формы при В/Км < 20 откосы необходимо крепить до максимальной глубины; в параболическом русле при 7 длина частичного крепления достаточна до средней глубины. С увеличением относительной ширины длина частичного крепления уменьшается.

10. При применении частичного крепления откосов уклон канала можно назначать на 40.60$ меньше, чем в земляном русле, что позволит уменьшить врезки, и тем самым, в условиях машинного канала сократить затраты энергии на перекачку воды.

11. Используя результаты исследований разработан метод гидравлического расчета каналов с частичным креплением откосов и внедрен в практику проектирования института "Союзгипроводхоз".

Проведенный технико-экономический расчет показал, что применение частичного крепления откосов на Кубенско-Шекснинском канале дало ожидаемый экономический эффект в размере 3570 тыс.руб., в т.ч. сокращение ремонтно-восстановительных затрат составляет 442 тыс.руб.

МИНИСТЕРСТВО МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА СССР В О „СОЮЗВОДПРОЕНТ"

ВСЕСОЮЗНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО НРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОЛОВНОЙ ПРОЕНТНО-ИЗЫСНАТЕЛЬСНИИ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ПЕРЕБРОСНЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ВОД СЕВЕРНЫХ И СИБИРСНИХ РЕН имени Е.Е.АЛЕНСЕЕВСКОГО

„СОЮЗГИПРОВОДХОЗ"

129344 Моснва,

ул.Енисейская,2,

тел.189 22 15,

телеграф:

Моснва 129344

СОЮЗГИПРОВОДХОЗ

р.с. 386001 в МОИ Госбанка г.Моснвы

СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ

Результаты диссертационной работы зав.сектором Лаборатории гидравлики и фильтрации СЕЛЯМЕТОВА М.М. "Кинематическая

структура устойчивых русел каналов с частичным креплением откосов" использованы в проекте Кубенско-Шекснинского канала.

Технико-экономическое сравнение вариантов показало, что применение частичного крепления откосов канала на водораздельном участке дало ожидаемый экономический эффект в размере 3570 тыс.руб., в т.ч. сокращение ремонтно-восстановитсльных работ составит 442 тыс.руб.

Главный инженер

Начальник отдб&а'V. Северной перебрйск'й •."Я

А.Ф.Кондратьев

В.М.Веденеев

1. Абальянц С.Х. Движение взвесей в открытых потоках.: Сб.науч. тр. САНИИРИ, вып.96. Ташкент, 1958, с.15-19.

2. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 240 с.

3. Айвазян С.М. Сравнительная оценка современных формул по расчету коэффициента Шези. Гидротехника и мелиорация, 1979,II, с.25-31.

4. Алперин И.Е., Быков С.Л., Гуревич В.Б. Укрепление берегов судоходных каналов, рек и водохранилищ. М.: Транспорт, 1973. - 216 с.

5. Алтунин B.C. Деформация русл каналов. М.: Колос, 1972. -120 с.

6. Алтунин B.C. Мелиоративные каналы в земляных руслах. М.: Колос, 1979. - 255 с.

7. Алтунин С.Т. Регулирование русел. -М.: Сельхозгиз, 1962. -350 с.

8. Алтунин С.Т. Русловые процессы, защита берегов от размыва, борьба с наводнениями и наносами. В кн.: "Материалы по производит.силам Узбекистана", Вып.П.: Ташкент, Изд. АН УзССР, I960, с.30-42.

9. Алтунин B.C., Алиев Т.А. Современное состояние проблемы устойчивости земляных каналов. Обзорная информация $ 14. ЦБНТИ Минводхоза СССР. М., 1982. - 50 с.

10. Алтунин B.C., Селяметов М.М. Кинематическая структура квазистационарного потока в устойчивом русле земляного канала. -Доклады ВАСХНИЛ. М. "Колос", 1983, lb I, с.36-38.

11. Алтунин B.C., Селяметов М.М. Повышение устойчивости земляных каналов с помощью частичного крепления откосов. Гвдротехническое строительство, 1981, 3, с.43-45.

12. Алтунин B.C., Селяметов М.М., Мулгокова Н.Б. 0 гидродинами-чеоки устойчивых руслах больших земляных каналов. Гидротехническое строительство. 1978, № 9, с.32-38.

13. Большаков В.А., Денисенко И.Д., БукрабаН.М., Паровенко О.Н. Коэффициент шероховатости Северо-Крымского канала. Гидравлика и гидротехника". Киев, 1972, №.15, с.51-56.

14. Бендат Д., Пирсон А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: "Мир", 1974. - 149 с.

15. Великанов М.А. Динамика русловых потоков, т.1. Структура потока. М.: Гостехиздат, 1954. - 323 с.

16. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Наносы и русло. -М.: Гостехиздат, 1955, т.2. с.324.

17. Великанов М.А. Кинематическая структура турбулентного руслового потока. Изв. АН СССР, сер.геофизика, т.Х, 1946, с.74-96.

18. Венцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: "Наука", 1969, -576 с.

19. Викулова Л.И. Русловые процессы в земляных каналах. Тр.Гидропроекта, сб.ХХХ, 1973, с.31-37.

20. Гинзбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика. Л., Изд. Ленинградского физического института, 1958, с.24-27.

21. Гиршкан С.А. О транспортирующей способности каналов. Гидротехника и мелиорация, 1953, Л 6, с.49-54.

22. Глушков В.Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. М.: Изд. АН СССР, 1961. - 320 с.

23. Гончаров В.Н. Основы динамики русловых потоков. Л.: Гидроме-теоиздат, 1954. - 452 с.

24. Гринвальд Д.И. Натурные исследования русловой турбулентности. Сб.науч.тр. ГГИ, вып.150, 1968, с.41-54.

25. Гринвальд Д.И. Некоторые закономерности крупномасштабной турбулентности потоков. Изв.АН СССР, 1965, № 3, с.89-94.

26. Гринвальд Д.И. Основные положения теории турбулентности.Операции осреднения. Сб. "Речная гидравлика и русловые процессы", ч,1, М., МГУ, 1976, с.32-49.

27. Гринвальд Д.И., Скорик С.С. Статистические характеристики турбулентного руслового потока по данным измерений продольных компонент скорости на р.Турунчуке, Метеорология и гидрология, 1967, У? 3, с.21-27.

28. Гринвальд Д.И. Турбулентность русловых потоков. 31., Гидро-метеоиздат, 1974, 166 с.

29. Гринвальд Д.И. Энергетические спектры пульсаций скорости естественного руслового потока. Сб. "Движение наносов в открытых руслах". Ин-т водных проблем АН СССР. М., "Наука", 1970, с.41 -48.

30. Гришанин KjjB. Устойчивость русел рек и каналов. Л., Гидро-метеоиздат, 1974, 144 с.

31. Денисенко И.Д. Определение скоростного множителя потока в русле с неоднородными стенками. Республиканский межведомственный научно-технический сборник "Гидравлика", 1966, IS 2, с.66-77.

32. Джаманкараев С.Д. Особенности эксплуатации дельтовых ирригационных систем Амударьи. Нукус, "Каракалпакистан", 1975, 196 с.

33. Дженкинс Г., Баттс Д. Спектральный анализ и его приложения. "Мир", 1972, с.

34. Доброклонский С.В., Михайлова Н.А., Мулюкова Н.Б. Влияние фильтрационного потока на интенсивность отрыва твердых частиц от дна. "Гидротехническое строительство, 1976, й II,35