автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Математическое моделирование влияния дноуглубительных работ и разработки подводных карьеров на русла судоходных рек

о I

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ РАБОТ И РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ КАРЬЕРОВ

НА РУСЛА СУДОХОДНЫХ РЕК

Специальность 05.22.17 "Водные пути сообщения: и гидрография"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

МОСКАЛЬ Андрей Витальевич

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор К.В.Гришанин

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ стр. ВВЕДЕНИЕ ............................................... 4

1. ОБЗОР ОДНОМЕРНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ И НАНОСОВ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ РУСЛАХ .......... 10

2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ОТМЕТОК СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ДЕФОРМАЦИЙ ДНА РЕЧНОГО ПОТОКА ПРИ ОДНОМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ .................................. 36

2.1. Исходные уравнения, начальные и граничные

условия .......................................... 37

2.2. Учет гидравлического сопротивления русел ......... 40

2.3. Используемые методы численного решения задачи .... 50

2.3.1. Совместное решение уравнении'.'движения и

баланса наносов ...........'•.**.". .'.". '............... 50

2.3.2. Решение уравнений движения и баланса наносов методом расщепления ............................ 55

2.4. Схематизация поперечных сечений .................. 61

2.4.1. Предположение о параболической форме

поперечных сечений ............................. 62

2.4.2. Учет фактической формы поперечных сечений ...... 73

3. ВЫЧИСЛЕНИЕ РАСХОДА НАНОСОВ ......................... 81

3.1. Выбор формул расхода наносов ..................... 82

3.2. Сравнительный анализ формул расхода наносов ...... 91

3.3. Пофракционный расчет расхода наносов ............. 99

4. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О СНИЖЕНИИ КРИВОЙ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

ИНТЕНСИВНЫХ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ РАБОТ ................. 116

4.1. Влияние интенсивных дноуглубительных работ

на режим речного русла ........................... 120

4.2. Построение кривых свободной поверхности для оценки негативных последствий производства интенсивных дноуглубительных работ ............... 127

4.2.1. Вычисление отметок свободной поверхности при интенсивном дноуглублении с учетом параболической формы поперечных сечений ........ 128

4.2.2. Вычисление отметок свободной поверхности при интенсивном дноуглублении с учетом фактической формы поперечных сечений ........... 143

4.3. Расчет отметок кривой свободной поверхности и русловых деформаций при интенсивном

днугдублении ..................................... 152

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСВОЕНИЯ ПОДВОДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С РАЗРАБОТКОЙ К НЕМУ ПОДХОДНОГО КАНАЛА ............... 158

5.1. Влияние подводной добычи нерудных строительных материалов на режим речного русла ................ 163

5.2. Расчет понижения уровней воды при разработке подводных карьеров и подходных каналов к ним ..... 168

5.2.1. Построение кривых свободной поверхности при освоении подводных месторождений НСМ с учетом параболической формы поперечных сечений ........ 170

5.2.2. Построение кривых свободной поверхности при освоении подводных месторождений НСМ с учетом фактической формы поперечных сечений ........... 173

5.3. Моделирование влияния длительной разработки подводных карьеров и производства дноуглубительных работ на уровенный и русловой режимы рек ..... 184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................ 198

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................... . 201

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................ 218

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, несмотря на снижение объемов перевозок, внутренний водный транспорт продолжает занимать важное место в транспортной системе Российской Федерации. Роль речных перевозок особенно велика на Крайнем Севере нашей страны, в Сибири, на Дальнем Востоке, т.е. в регионах с недостаточно сильно развитой сетью железных и автомобильных дорог. Во многих случаях речной транспорт является главным, а иногда и единственным путем перевозки грузов и пассажиров, обеспечивая массовую доставку грузов потребителям и значительно превосходя по экономическим показателям другие виды транспорта.

Для поддержания внутренних водных путей в судоходном состоянии могут применяться различные методы: строительство универсальных гидроузлов комплексного назначения с образованием крупных водохранилищ; транспортное шлюзование рек; производство на судоходных реках комплекса путевых работ, к которым относятся расстановка и обслуживание навигационных знаков, дноуглубление, выправление, траление, руслоочищение и некоторые другие виды. Значительная часть внутренних водных путей России находится в свободном состоянии и требует для обеспечения бесперебойного и безопасного судоходства регулярного производства путевых работ.

Одним из основных видов путевых работ является дноуглубление, когда при помощи специальных дноуглубительных снарядов (многочерпаковых и землесосов) грунт на перекатах перемещается за пределы судового хода для обеспечения на нем заданных габаритов пути. Полученные в результате этих действий дноуглубительные прорези используются для движения судов и плотов. Дноуглубительные работы делятся на два основных вида: капитальные и эксплуатационные. Капитальное дноуглубле-

ние выполняется для улучшения судоходных условий на заданном участке реки, при этом меняется положение судового хода (обычно с уменьшением длины) или увеличиваются его габариты. Эксплуатационное дноуглубление производится на существующих судовых ходах для поддержания имеющихся судоходных условий. Следует отметить, что капитальные прорези часто имеют значительные размеры, их длина может достигать нескольких километров, а объем извлекаемого грунта измеряться миллионами кубометров. Разновидностью капитальных прорезей являются каналы, спрямляющие пойменные извилины.

Процесс увеличения судоходных глубин при помощи дноуглубительных работ имеет естественное ограничение в виде предельных или гидравлически допустимых глубин. Под гидравлически допустимыми понимаются глубины, получение которых не приводит к заметному понижению кривой свободной поверхности речного потока. Дальнейший рост глубин может привести к значительному снижению уровней воды и резкому увеличению объемов дноуглубительных работ из-за необходимости добавочного углубления дна перекатов, а кроме того влечет за собой ряд неблагоприятных последствий экологического и хозяйственного порядка: снижение уровня грунтовых вод в пойме, затруднения в работе водозаборов, обмеление акваторий портов и пр. Конкретные значения гидравлически допустимой глубины для различных рек зависят от многих факторов: водности потока, состава донных грунтов, скоростей течения, хода колебания стока, морфологии русла, типа руслового процесса и т.д. На некоторых реках России судоходные глубины уже приблизились к гидравлически допустимым или даже несколько превзошли их, как например на Верхней Лене, где в 80-х годах попытки добиться при помощи интенсивного дноуглубления увеличения транзитной глубины на участке от пос.Марково до г.Усть-Кут практически не дали положительных результатов, но привели к

значительному снижению уровней воды и уменьшению глубин у причалов порта Осетрово /6/.

Однако в настоящее время, при резком уменьшении финансирования организаций путевого хозяйства, интенсивные дноуглубительные работы практически не производятся, особенно на крупных судоходных реках. Теперь гораздо более значительное влияние на уровенный и русловой режимы рек оказывает другой вид инженерной деятельности - разработка подводных карьеров для добычи нерудных строительных материалов (НСМ): песка, гравия, песчано-гравийной смеси.

Подводные карьеры представляют собой выемки в русле или на пойме реки, создаваемые специально для добычи речного аллювия как строительного материала /103/. Особо следует отметить, что если при дноуглублении грунт перераспределяется в русле реки, то добыча НСМ приводит к его полному удалению, причем емкость русла существенно увеличивается, т.к. подводные карьеры обычно разрабатываются на большую глубину и имеют значительные плановые размеры. Поэтому воздействие крупных подводных карьеров на русла судоходных рек гораздо сильнее влияния дноуглубительных работ /27/.

Добыча НСМ из русел рек привлекает высокой степенью механизации работ, обеспеченностью и сравнительной дешевизной перевозки добытых материалов' речным транспортом, а также их высоким качеством (низкий процент содержания глинистых частиц) . Разработка подводных карьеров на судоходных реках началась в 50-е годы, причем до сравнительно недавнего времени работы часто производились без сколько-нибудь тщательных проектных проработок, а иногда и без соответствующего разрешения. Карьеры в зоне месторождений НСМ располагались без учета особенностей руслового режима осваиваемого участка реки, заинтересованные организации не стремились к минимизации негативных последствий добычи. Зачастую просто разрабатыва-

лись побочни на следующих друг за другом перекатах основного русла с превращением осваиваемого участка реки в длинную плесовую лощину /5/. Такое бесконтрольное извлечение грунта привело на ряде рек к значительному понижению уровней воды и интенсивным русловым переформированиям в местах добычи НСМ, а также на участках, расположенных выше карьеров.

Экологические последствия разработки русловых карьеров значительно усложняются при освоении подводного месторождения НСМ, находящегося на сравнительно небольшой реке. В этом случае необходимо сначала создать подходной канал к месторождению, причем получаемые на судовом ходу глубины обычно превышают гидравлически допустимые для углубляемого участка реки. Тогда уже одно только производство дноуглубительных работ приведет к понижению уровней воды, а последующая разработка подводных русловых карьеров, особенно крупных, может повлечь для потока просто катастрофические последствия, резко понижая его базис эрозии и вызывая интенсивный размыв русла.

Классификация инженерных сооружений и мероприятий по характеру их воздействия на русловой процесс /52/ относит подводные карьеры НСМ, каналы, спрямляющие пойменные извилины, и капитальные прорези к активным сооружениям II категории, а эксплуатационные дноуглубительные прорези - к пассивным сооружениям. Однако разработка достаточно крупных карьеров НСМ или существенное увеличение судоходных глубин может приводить к столь значительным изменениям естественного режима осваиваемого водоема, что соответствующие сооружения следует рассматривать уже как активные, соответственно, I или II категорий.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что из распространенных на свободных реках инженерных мероприятий наиболее глубокое влияние на состояние потока и русла оказы-

вают увеличение судоходных глубин сверх гидравлически допустимых и разработка подводных русловых карьеров. И в том, и в другом случае последствия выемок грунта должны быть оценены путем количественного расчета, что позволяет наметить меры, направленные на уменьшение неблагоприятного влияния понижения кривой свободной поверхности на уровенный и русловой режимы рек. В настоящее время признано, что увеличение судоходных глубин и освоение подводных месторождений НСМ должно производиться только на основании подробных проектов, в состав которых обязательно входит раздел, дающий оценку негативного влияния извлечения грунта на состояние речного потока. Объем выполняемых при этом вычислений очень велик, т.к. влияние карьера и работ по увеличению судоходных глубин обычно охватывают протяженные участки рек длиной в десятки и даже сотни километров. Применение вычислительной техники позволяет значительно сократить трудоемкость и время гидравлических расчетов.

В последние годы в нашей стране и за рубежом наблюдается повышенный интерес к использованию компьютеров в инженерных расчетах, в том числе для математического моделирования изменения положения кривой свободной поверхности и переформирований дна в руслах рек. Это объясняется как быстрым совершенствованием и расширением возможностей вычислительной техники и численных методов решения задач, так и желанием получить математические модели, достоверно описывающие процессы, происходящие в речных руслах. Математические модели более универсальны по сравнению с гидравлическими или аэродинамическими моделями, их можно использовать для описания различных рек, и это является их крупным достоинством /30/.

Применение математических моделей обычно предполагает некоторое (иногда весьма значительное) упрощение реального природного объекта или явления /59/. Многие задачи, часто

встречающиеся в инженерной практике, могут быть решены в рамках одномерной модели потока, когда изменение элементов движения жидкости и наносов рассматривается вдоль только одной продольной координаты - криволинейной оси потока. Одномерная постановка задачи особенно часто применяется для прогнозирования изменений естественного руслового режима на протяженных участках рек, причем надежность прогноза, как показывает отечественный и зарубежный опыт, в значительной степени зависит от точности учета сил гидравлического сопротивления и вычисления расхода русловых наносов. Оба эти важных вопроса до настоящего времени пока еще не нашли своего окончательного решения.

К настоящему времени опубликован ряд работ с описанием алгоритмов и программ машинного счета, предназначенных для моделирования изменения кривой свободной поверхности и русловых переформирований в естественных водотоках. Некоторые из них рассматривают экологические последствия добычи НСМ из речных русел, однако буквально единицы учитывают необходимость производства дноуглубительных работ на перекатах судоходных рек. Это связано с тем, что за рубежом основными способами поддержания глубин на внутренних водных путях являются сплошное выправление и шлюзование рек, а отечественных исследователей часто интересуют вопросы, напрямую не связанные с обеспечением судоходства.

Целью представленной диссертационной работы является создание алгоритмов и программ машинного счета, позволяющих количественно оценивать влияние интенсивных дноуглубительных работ и разработки подводных карьеров НСМ на уровенный и русловой режимы судоходных рек.

- 10 -

1. ОБЗОР ОДНОМЕРНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ И НАНОСОВ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ РУСЛАХ

Для моделирования происходящих в реках естественных процессов могут применяться различные математические методы. Сложность задач речной гидравлики не позволяет получать для них аналитические решения, поэтому широкое применение нашли численные и комплексные методы математического моделирования, различающиеся типами моделей, способами и сложностью математического аппарата, используемого для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Первое время более широко применялся метод характеристик, затем, с развитием вычислительной техники, чаще стал использоваться метод конечных разностей, более удобный для разработки программ машинного счета, а в последние годы все больший интерес вызывает метод конечных элементов, позволяющий описывать сложные криволинейные границы речных потоков /95, 129/. Гораздо реже в практике инженерных расчетов встречается метод граничных элементов, который отличает переход от уравнений для функций, задаваемых в области, к уравнениям для функций, задаваемых на границе этой области /28/.

На основе этих методов в нашей стране и за рубежом разработано большое количество одно- и двумерных математических моделей речного потока с деформируемым дном. Двумерные модели гораздо более полно, чем одномерные, описывают гидравлические и русловые процессы, происходящие в естественных водотоках. Однако переход к плановой постановке задачи приводит к резкому увеличению объемов перерабатываемой информации и времени вычислений /119/. С другой стороны, существует достаточно обширный круг задач, при решении которых одномерные модели дают вполне достоверные результаты: расчет распро-

странения длинных волн, вызываемых естественными колебаниями стока или регулированием расхода воды гидроэлектростанциями, вычисление отметок свободной поверхности и дна на протяженном участке реки, определение распределения расхода воды по рукавам и т.п. Преимуществами одномерных математических моделей являются гораздо меньшие затраты машинного времени и сравнительно небольшой объем исходных данных. В случае большой длины моделируемого участка реки эти достоинства часто являются решающими.

При одномерной постановке задачи движения воды и наносов в открытых руслах большинство исследователей в качестве исходных зависимостей принимают систему одномерных уравнений, выражающих закон сохранения количества движения и закон сохранения массы жидк�