автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика расчета русловых карьеров для возведения насыпей подходов к мостам и регуляционных сооружений

НГУЕН ХОАНГ ХАЙ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РУСЛОВЫХ КАРЬЕРОВ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ НАСЫПЕЙ ПОДХОДОВ К МОСТАМ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАП 2012

Москва-2012

005016612

005016612

Работа выполнена на каферде Геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Федотов Григорий Афанасьевич.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, Перевозников Борис Федорович, ¡консультант Гипростроймоста.

кандидат технических наук, доцент Наумов Геннадий Григорьевич. (МАДИ)

Ведущая организация:

ОАО "Гипротрансмост".

Защита диссертации состоится 17 мая 2012 г. в _часов на

заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу:

125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок - (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан «16 » 04.2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ~ "

Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При строительстве мостовых переходов все чаще насыпи подходов к мостам и регуляционных сооружений для снижения стоимости земляных работ возводят средствами гидромеханизации. Русловые карьеры при этом часто намечают на побочнях в непосредственной близости от строящихся мостов.

Размещение карьеров в руслах рек всегда сопровождается изменениями их руслового и уровенного режимов, тем более заметными, чем больше объем выработки грунта. Русловые карьеры после прекращения их разработки, заиляясь с верховой стороны и размываясь с низовой, перемещаются вниз по реке. Глубина выработки при этом уменьшается, а длина соответственно увеличивается. Это перемещение часто сопровождается подмывами берегов, водозаборов, размывами мостов, переходов коммуникаций и других инженерных сооружений в руслах рек.

Очень опасны постоянно действующие русловые карьеры, которые существенно влияют на уровенный режим рек на значительных участках выше и ниже по течению, при этом опасные деформации русел развиваются не только вниз по течению, но и вверх от карьеров в виде попятного размыва.

Устройство глубоких выработок грунта на побочнях выше мостов может оказаться для них катастрофическим.

Цель работы: разработка методики расчета русловых карьеров при возведении подходов к мостам средствами гидромеханизации.

Задачи работы:

1. Исследовать по материалам математического и полунатурного физического моделирования закономерности уровенных и русловых деформаций, которыми сопровождается сооружение русловых карьеров при производстве земляных работ с использованием средств гидромеханизации.

2. Разработать детальный (на основе решения дифференциальных уравнений баланса наносов и неустановившегося течения жидкости в конечных разностях) и упрощенный методы расчета русловых карьеров.

3. Дать рекомендации по безопасному размещению русловых карьеров при строительстве мостовых переходов и других инженерных сооружений на реках.

Объект исследования: деформации свободной поверхности потока и русел при устройстве русловых карьеров для возведения насыпей подходов к мостам и регуляционных сооружений.

Методика исследования: математическое моделирование с использованием универсальной методологии комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока и программы «Гидрам-3» предназначенной для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений на реках с различным типом руслового процесса, в том числе и русловых карьеров.

Основа методики — одновременное решение в конечных разностях трех дифференциальных уравнений:

1/ уравнения баланса наносов Экснера (математическая запись закона сохранения твердой фазы руслового потока):

81 р р & " д!

2/ уравнения неразрывности неустановившегося потока (математическая запись закона сохранения жидкой фазы руслового потока):

= 0 (2)

81 дt

31 уравнения плавно изменяющегося неустановившегося течения потока в открытых непризматических руслах Сен-Венана (математическая запись законов сохранения энергии и количества движения):

/ = + (3)

' 81 2ё 81 g 81 К2

где: 6 - расход наносов руслоформирующих фракций; 1Р - длина по руслу; Вр - ширина русла (фронта переноса наносов); Ър - глубина русла от дна до бровок; / - время; £> - общий расход воды; I - длина по долине реки; со - площадь живого сечения; 1б - бытовой уклон свободной поверхности потока; г - геодезическая высота (отметка) свободной поверхности потока; а - корректив кинетической энергии (коэффициент Кориолиса); V - средняя скорость течения; g -ускорение свободного падения; ап - корректив количества движения (коэффициент Буссинеска); К- расходная характеристика.

Научная новизна и значимость работы:

К настоящему времени разработка грунтов из русел рек превратилась в острую глобальную проблему, строгого решения которой пока нет. Предварительные решения её страдают грубыми допущениями и неточностями. Поэтому эта важная задача требует своего решения на новом современном научном уровне. В настоящей работе использовано компьютерное математическое моделирование с помощью программы «Гидрам-3» для решения этой актуальной задачи и исследования основных факторов, влияющих на деформации свободной поверхности потока и русел рек у русловых карьеров.

Достоверность и обоснованность:

Математическое моделирование позволяет и получать огромные объемы экспериментальной информации в масштабе 1:1 без негативного влияния масштабных эффектов. Тем не менее адекватность математической модели натурным процессам была обоснована материалами полунатурного моделирования руслового карьера на р. Баньке.

Практическая значимость работы :

Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать использовать формулы для быстрого прогноза деформаций свободной поверхности потока и русел рек в нижних и верхних бьефах после устройства русловых карьеров.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Алгоритм и принципы методологии комплексного расчета мостовых переходов и программы «Гидрам-3».

2. Доказательство адекватности результатов моделирования по программе «Гидрам-3» и полунатурного эксперимента.

3. Результаты, полученные при исследовании влияния разных факторов на деформации нижнего и верхнего бьефа после устройства русловых карьеров.

4. Упрощенные формулы для быстрой оценки влияния русловых карьеров на существующие и проектируемые инженерные сооружения в руслах рек ниже и выше карьеров.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях: в журнале «Наука и техника в дорожной отрасли». -2011 и в сборнике науч. тр. МАДИ (ГТУ). -2012.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре

главы, общие выводы, 96 рисунков, 7 таблиц, 123 графика, список литературы из 58 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования и показана научная новизна работы, представлена практическая значимость работы.

В первой главе представлены общие понятия о речных карьерах и их основные принципы и условия размещения. При обзоре литературы по методике расчета деформаций русловых карьеров при проектировании мостовых переходов отмечено, что к настоящему времени, методов расчета деформаций русловых карьеров существуют немного. В Гипротрансмосте такие задачи решали с 1971 года, в МАДИ такими вопросами начали заниматься с 1984г. Имеются также работы за рубежом, где также вядутся интенсивные работы по добыче грунта из русел рек.

Дан анализ существующих методов расчета деформаций русловых карьеров на реках.

В настоящее время экономическое развитие большинства стран мира требует действий, направленных на получение быстрого экономического эффекта. Неслучайно поэтому получила распространение непродуманная варварская добыча природных ресурсов (табл. 1).

В частности, для выполнения строительных работ повсеместно ведут бесконтрольную добычу руслового аллювия.

Примеры годового объема добычи руслового аллювия:

Таблица 1

Год Река Объем добычи (млн.м3/год) Страна

1980 Стрый Прут Днепр 5.0 1.6 1.2 Россия

1983 Томь 10.0

2001 Manahara, Dhobi, Sania 1.2 Nepal

2006 Periyar 11.7 Индия

2010 Hong 1.1 Vietnam

Как видно, в течение последних 30-ти лет во всем мире имеет место интенсивное увеличение объемов добычи аллювия из русел рек. И это понятно, поскольку человечество все более нуждается в нерудных материалах для строительства. Поэтому проблема оценки последствий забора аллювия из русел рек становится все более актуальной.

И это характерно не только для Вьетнама и России, но и для других стран, когда день за днем люди берут гравийно-песчаную смесь из русел при строительстве мостовых переходов, подходов, путепроводов и т.п. и не интересуются последствиями своих деяний.

Во второй главе рассмотрены алгоритм и принципы расчета по программе «Гидрам-3», исходная информация и результаты расчета по этой программе.

Универсальная методология комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока, разработанная в Гипротрансмосте в 1973 году и реализованная в виде компьютерной программы «Гидрам-З», предназначена для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений в том числе и русловых карьеров на реках с различным типом руслового процесса.

С помощью программы «Гидрам-3» были рассчитаны деформации свободной поверхности потока и дна на участке экспериментального руслового карьера на реке Банька, выполненного Наумовым Г.Г. при проведении натурного физического эксперимента деформаций руслового карьера. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности результатов математического модеирования и полунатурного эксперимента.

На графиках представленных на рис.1 и 2 дано сравнеие результатов математического моделирования по программе «Г идрам-3» с результатами физического моделирования на р. Банке.

-0.005 -0.01

-0.015 -0.02 -0.025 -0.03

9.3 11 12.7 14.4 16.1 17.8 19.5 21.2 22.9 24.6 |

Рис. 1. Сравнение результатов расчета деформаций кривой

свободной поверхрости потока на р. Баньке.

д9 2 ............

—®— экспериментальный карьер до егр деформации ---натурные деформации эксп. карьера

-«--деформация экспер; карьера по результатам Математического моделирования

98.5 -I----I---1----I-I-----------I-------------!-------- |

0 5 10 15 20 25 30 1' м

Рис. 2. Сравнение результатов расчета деформаций карьера на р.

Баньке.

Таким образом доказано, что результаты математического моделирования адекватны натурным данным. Значит методология комплексного расчета и программа «Гидрам-3» адекватны физическим процессом и её можно использовать для математического моделирования деформаций русловых карьеров.

В третьей главе представлены результаты математического моделирования деформаций нижних бьефов русловых карьеров на разных реках.

Полученны следующие результаты:

>-Бытрвые свобод, поверхности пртока до устройства

эксп|Гкарьера! ■ ! і і

в— Бытфвые свобод, поверхности пртока по4ле устройства

—эксп|. карьера;--------------->—........—і—.........Ч-----------|----------

—о-Дефррмации ¡кривой свобод, поверхности потока (іо

результатам іуатемзтического цоделироеания......і________

-Щм

].......................т.....~............ : Гу^™*"^*^-««----

1 ......1/1...............

а-------—*—»——•—

Ч> Ж

і 1 \ ^ —- |

—ч— экспериментальны£ карьер до егр деформации

---натурные деформации эксп. карцера

-«--деформация экспер карьера по результатам Математического моделирования

0 5 10 15 20 25 30

1/ Исследование влияния купности наносов на характер деформаций низового забоя русловых карьеров:

Рис. 3. Кривые изменения отметок размытого дна вниз по течению от карьера в зависимости от крупности размываемого

аллювия.

Как видно из совмещенного графика крупность наносов на характер деформаций низового забоя карьера практически не влияет (рис. 3).

2/ Исследования влияния уклонов свободной поверхности потока на характер деформаций низового забоя русловых карьеров:

течению от карьера при различных уклонах свободной поверхности

потока.

Как следует из совмещенного графика, представленного на рис. 4, при изменении уклона свободной поверхности, практического влияния на характер русловых деформаций за низовым забоем не обнаружено.

3/ Исследования характера деформаций низового забоя в зависимости от протяженности карьера:

I, м

Рис. 5. Кривые изменения отметок размытого дна ниже карьера в зависимости от его длины.

Как следует из совмещенного графика, представленого на рис. 5, при разных длинах карьера имеет место небольшое влияние длины на характер деформаций низового забоя. Так при увеличении длинны карьера глубины размыва в нижнем бьефе оказываются несколько больше.

4/ Исследование влияния глубины карьера на характер деформаций низового забоя:

I, м

Рис. 6. Кривые изменения отметок размытого дна в зависимости от глубины карьера.

Как следует из рис. 6 наибольшее влияние на характер изменения отметок размытого дна в нижнем бьефе оказывает глубина карьера. При разных глубинах карьера, характер деформаций низового забоя заметно меняется, при этом глубины размыва в нижнем бьефе оказываются тем больше, чем больше исходная глубина карьера.

Для быстрого определения величины среднего смыва грунта на любом расстоянии от низового забоя руслового карьера на основе обобщения материалов численных экспериментов получены упрощенные эмпирические зависимости.

расчетный створ

ІАнер

Ahk

УНС

Нл

і_L

.......'f'Xh,

"h

n.L

Рис. 7. Схема к расчету нижнего бьефа руслового карьера. УНС - уровень неразмывающей скорости.

Общая структура эмпирической формулы принята:

Ahm = (4)

где: Ahm - глубина среднего смыва грунта на расстоянии 1т от низового забоя;

Ahk - начальная расчетная глубина карьера при УНС (уровне неразмывающей скорости);

4-длина карьера;

п - эмпирический коэффицент;

х - показатель степени.

Кривые размыва за низовым забоем, полученные в результате математического моделирования, можно разбить на два характерных участка: - участок интенсивного изменения глубин (криволинейная часть) и t2 - участок медленного изменения глубин (линейная часть) (рис. 7).

Из графиков, обобщающих результаты математического моделирования на логарифмической клетчатке следует, что наилучший результат получается при "п = 2". При этом все эмпирические точки попадают на разные линии, параллельные между собой. Отсюда, для определения показателя степени «xt» принимаем равным "л, = 2".

Рис. 8. К определению степени (т) по результатам математического

моделирования.

Из рис. 8 следует а = 71° для всех точек экспериментальных данных, отсюда: X] = 1§(а) = 3.

Тогда для 1-ого участка при «X! = 3» и = 2» - кривая среднего смыва дна в нижнем бьефе примет окончательный вид: • при 0 </т < /к- (криволинейная часть):

дьт1 = ДЬК -(1-Й;)3- (5)

На границе участков при /т = /к:

ДЬт2 = ДЬт1 = ДЬК • (1 - ¿-)3 = 0,125 • ДЬК . (6)

Аналогично, из обобщающих графиков результатов математического моделирования по логарифмической клетчатке установлено, что наилучшие результаты получаются при величине "п = 50". При этой все экспериментальные точки ложатся на разные линии,

параллельны между собой. Приняв "п2 = 50" мжно определить показатель степени «х2».

моделирования.

Из рис. 9 получена величина а=78,5° для всего набора экспериментальных данных, откуда следует: х2 = tg(a) = 5.

Тогда принимая для 2-ого участка «х2 = 5» и «п2 = 50», окончательно получим выражение для построения кривой смыва дна в нижнем бьефе: • при /т > /к (линейная часть ):

ДЪт2 = 0Д25-АЬК.(1-^)5. (7)

В четвертой главе представлены результаты обобщения материалов математического моделирования деформаций верхних бьефов русловых карьеров на разных реках.

В результате обобщения материалов математического моделирования установлено, что:

1. На снижение свободной поверхности потока и русловые деформации в верхнем бьефе карьеров оказывают значительное

влияние уклоны свободной поверхности потока. При этом, чем больше уклон реки, тем более заметно снижение отметок свободной поверхности при устройстве карьера.

2. Размеры карьера (длина и глубина) оказывают большое влияние на снижение свободной поверхности потока и деформации дна в верхнем бьефе.

При разных длинах карьера, отмечено большое влияние длины на снижение свободной поверхности потока и характер деформаций дна верхового забоя. Так при увеличении длины карьера происходит заметное снижение свободной поверхности потока и соответствующий рост глубин размыва в верхнем бьефе (рис. 10 и 11).

О 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 Ц - длина карьера (м) _

Рис. 10. Влияние длины карьера на снижение свободной поверхности потока__________

0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 I. - длина карьера (м) _

Рис. 11. Влияние длины карьера на попятный размыв дна в верхнем

бьефе.

При разных глубинах карьера отмечено большое влияние глубины на снижение свободной поверхности потока и характер деформаций дна в верхнем бьефе. Так при увеличении глубины карьера происходит заметное снижение свободной поверхности потока и соответствующий рост глубин размыва в верхнем бьефе (рис. 12 и 13).

-0.60 -.....•.......".""У". ' .. г : |

-0.20 4- — - .-- ....... - - !..... • -.....-........ .............. .

-0.10 -•--:'...- .....; , ......_ 1.......... _ . ;

I

I \

\ 1 I

о.оо -I----,-----,------)---i----,--г----------1 ;

0 5 10 15 20 25 30 35 |

Н - глубина карьера (м) !

Рис. 12. Влияние глубины карьера на снижение свободной поверхности потока.

Рис. 13. Влияние глубины карьера на попятный размыв дна в верхнем бьефе.

В результате исследования влияния размеров карьеров на деформации свободной поверхности потока и развитие размывов в верхнем бьефе доказанно, что величина снижения свободной поверхности потока (Д2) в верхнем бьефе определяет соответствующий размыв дна (ДНд) в тех же створах.

О расчетный створ К ,

...............> Н

: ■-> А) > Уо | кривая спадЗ \ 1 ! ! 1 к-- 1 1 А2 Ьрб

! ! ~ ~ днд=дг / /

Рис. 14. Схема к расчету верхнего бьефа руслового карьера.

В результате обобщения материалов математического моделирования получены упрощенные формулы для:

1. Определения снижения свободной поверхности потока (№) и соответствующего размыва (ДНд) в створе бровки верхового забоя (см. рис. 14):

где: О - общий расход (м3/с); В0- ширина разлива (м);

, _ ьб+нк Г _£б+£к,

^ср - 2 ■ Сср - 2 ■

/?6 - средняя по ширине разлива глубина потока (м);

- средняя по ширине разлива глубина потока с учетом карьера

(м);

Ск,Сб- коэффициенты Шези - Маннинга при Лк и Ьб ;

- бытовой уклон свободной поверхности потока; /„-длина карьера (м);

ог„, Об - коэффициенты Кориолиса при /7К и /)б; д - ускорение свободного падения (д = 9,81 м/с2).

2. Определения снижения уровня воды и соответствующей глубины размыва дна в любом створе на расстоянии (/х) от бровки верхового забоя карьеров (см. рис. 14):

Снижение уровня воды в любом створе на растоянии (/х) от бровки верхового забоя карьеров:

«/з

= (9)

V3

где:

дгх - снижение свободной поверхности потока в расчетном створе на расстоянии 1Х от бровки верхового забоя карьера (м); дг - начальное снижение свободной поверхности потока в створе бровки верхового забоя карьера (м);

бытовой уклон свободной поверхности потока; Ч + Лх

1)сР — —---среднее относительное снижение уровня на участке 1Х;

&г + пб

т] = —г--относительное снижение уровня в створе бровки верхового

"б

забоя карьера; аех + 1гЁ

т]х = —г--относительное снижение уровня в расчетном створе;

"б

Ьб - средняя бытовая глубина всего потока (м).

Глубины попятного размыва дна (АНД) в любом створе на растоянии (/х) от бровки верхового забоя карьеров равны величине снижения свободной поверхности потока в тех же створах:

АНд = дгх,(м) (10)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С использованием методологии комплексного расчета мостовых переходов и программы «Гидрам-3» проведено математическое моделирование и исследовано влияние различных факторов на деформации русловых карьеров.

2. Доказана адекватность математической модели натурным процессам.

3. Исследованы процессы, протекающие в ходе деформаций низовых забоев русловых карьеров и установлено, что:

на форму кривой размыва за карьерами (в нижнем бьефе) крупность руслового аллювия практически не влияет. Крупность

размываемого аллювия влияет лишь на время, потребное для достижения наибольшего размыва;

уклоны свободной поверхности потока также не влияют на характер деформаций русловых карьеров в нижнем бьефе;

длина и глубина (размеры) карьеров уже оказывают заметное влияние на характер деформаций нижнего бьефа. При увеличении длинны карьера, глубины размыва в нижнем бьефе заметно возрастают. Но наибольшее влияние на характер изменения отметок размытого дна оказывает глубина карьера. При разных глубинах карьера, характер деформаций низового забоя заметно меняется, при этом глубины размыва в нижнем бьефе оказываются тем больше, чем больше исходная глубина карьера.

4. Полученны эмпирические зависимости для быстрого прогноза глубин среднего смыва грунта за карьерами. Эти зависимости можно использовать для быстрой оценки влияния русловых карьеров на существующие и проектируемые инженерные сооружения в руслах рек ниже карьеров (мостовые переходы, переходы коммуникаций, водозаборы и т.д.).

5. Исследованы процессы, протекающие в верхних бьефах русловых карьеров, и установлено, что:

в результате устройства русловых карьеров происходит снижение свободной поверхности потока и развитие попятного размыва в верхнем бьефе. При этом величина снижения свободной поверхности потока определяет соответствующий размыв дна в тех же створах;

на снижение свободной поверхности потока и русловые деформации в верхнем бьефе карьеров оказывают значительное влияние уклоны свободной поверхности потока. При этом, чем больше уклон реки, тем более заметно снижение отметок свободной поверхности и рост размывов при устройстве карьеров;

длина и глубина (размеры) карьера также оказывают большое влияние на снижение свободной поверхности потока и деформации дна в верхнем бьефе. При увеличении длины карьера при его разработке происходит снижение уровней воды и развитие попятного размыва дна на значительном участке реки выше карьеров. При увеличении глубины карьера, также происходит снижение свободной поверхности потока и увеличение деформаций дна выше верхового забоя.

6. В результате обобщения материалов математического моделирования полученны упрощенные зависимости для:

определения снижения свободной поверхности потока (Д2) и соответствующего размыва (ДНД) в створе бровки верхового забоя;

определения снижения уровня воды и соответствующей глубины размыва дна в любом створе на расстоянии (/х) от бровки верхового забоя карьеров.

Основные положения диссертации опубликованы в работах :

1. Последствия добычи грунта из русел рек и деформации низовых забоев русловых карьеров / Нгуен Хоанг Хай // Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли»,- 2011.- №. 4,- с.38 - 40.

2. Деформации верхних бьефов русловых карьеров при добыче грунта из русел рек / Нгуен Хоанг Хай // Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ).- 2012.

Подписано в печать 16 апреля 2012 г. Формат 60x84x16 Усл.леч.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №15

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел : 8-916-181-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71 E-mail: 7tpc7@mail.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

61 12-5/3233

НГУЕН ХОАНГ ХАЙ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РУСЛОВЫХ КАРЬЕРОВ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ НАСЫПЕЙ ПОДХОДОВ К МОСТАМ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Федотов Г.А.

Москва - 2012 г.

_ ОГЛАВЛЕНИЕ _

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................3

Глава 1. Обоснование актуальности темы исследования. 5

1.1. Общие понятия о речных карьерах...................................................................................5

1. 2. Основные принципы и условия размещения карьеров..............................................6

1. 3. Оценка методов расчета деформаций карьеров на реках.......................................11

1. 4. Режим добычи нерудных материалов из русел рек. Влияние на

гидрологический и русловой режимы рек..................................................................17

1. 5. Актуальность темы диссертации.....................................................................................25

Глава 2. Математическая модель деформаций русел и свободной поверхности потока и её адекватность натурным процессам..........................26

2.1. Алгоритм и принципы расчета по программе «Гидрам-3»......................................26

2. 2. Исходная информация и результаты расчета по программе «Гидрам-3»...........44

2. 3. Физический эксперимент руслового карьера на р.Баньке.......................................55

2. 4. Расчет деформации дна на участке возведения карьера на р. Баньке по

программе «Гидрам-3».....................................................................................................60

2. 5. Доказательство адекватности результатов расчета по программе и

полунатурного эксперимента..........................................................................................63

Глава 3. Использование программы Гидрам-3 в расчетах деформаций

нижнего бьефа русловых карьеров.......................................................................65

3.1. Расчеты карьеров на реке Оке у г. Каширы..................................................................65

3. 2. Расчеты карьеров на реке Вятке у г. Мамадыша........................................................78

3. 3. Анализ и обобщение результатов математического моделирования нижнего

бьефа русловых карьеров.................................................................................................93

Глава 4. Использование программы Гидрам-3 в расчетах деформаций

верхнего бьефа русловых карьеров....................................................................107

4.1. Расчеты карьеров на реке Оке у г. Каширы................................................................107

4. 2. Расчеты карьеров на реке Вятке у г. Мамадыша......................................................131

4. 3. Анализ и обобщение результатов математического моделирования верхнего

бьефа русловых карьеров.............................................................................................146

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................155

Список литературы.......................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: При строительстве мостовых переходов все чаще насыпи подходов к мостам и регуляционных сооружений для снижения стоимости земляных работ возводят средствами гидромеханизации. Русловые карьеры при этом часто намечают на побочнях в непосредственной близости от строящихся мостов.

Размещение карьеров в руслах рек всегда сопровождается изменениями их руслового и уровенного режимов, тем более заметными, чем больше объем выработки грунта. Русловые карьеры после прекращения их разработки, заиляясь с верховой стороны и размываясь с низовой, перемещаются вниз по реке. Глубина выработки при этом уменьшается, а длина соответственно увеличивается. Это перемещение часто сопровождается подмывами берегов, водозаборов, размывами мостов, переходов коммуникаций и других инженерных сооружений в руслах рек.

Очень опасны постоянно действующие русловые карьеры, которые существенно влияют на уровенный режим рек на значительных участках выше и ниже по течению, при этом опасные деформации русел развиваются не только вниз по течению, но и вверх от карьеров в виде попятного размыва.

Устройство глубоких выработок грунта на побочнях выше мостов может оказаться для них катастрофическим.

Цель работы: разработка методики расчета русловых карьеров при возведении подходов к мостам средствами гидромеханизации. Задачи работы:

1. Исследовать по материалам математического и полунатурного физического моделирования закономерности уровенных и русловых деформаций, которыми сопровождается сооружение русловых карьеров при производстве земляных работ с использованием средств гидромеханизации.

2. Разработать детальный (на основе решения дифференциальных уравнений

баланса наносов и неустановившегося течения жидкости в конечных разностях) и упрощенный методы расчета русловых карьеров.

3. Дать рекомендации по безопасному размещению русловых карьеров при строительстве мостовых переходов и других инженерных сооружений на реках.

Объект исследования: деформации свободной поверхности потока и русел при устройстве русловых карьеров для возведения насыпей подходов к мостам и регуляционных сооружений.

Научная новизна и значимость работы: К настоящему времени разработка грунтов из русел рек превратилась в острую глобальную проблему, строгого решения которой пока нет. Предварительные решения её страдают грубыми допущениями и неточностями. Поэтому эта важная задача требует своего решения на новом современном научном уровне. В настоящей работе использовано компьютерное математическое моделирование с помощью программы «Гидрам-3» для решения этой актуальной задачи и исследования основных факторов, влияющих на деформации свободной поверхности потока и русел рек у русловых карьеров.

Практическая значимость работы: Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать использовать формулы для быстрого прогноза деформаций свободной поверхности потока и русел рек в нижних и верхних бьефах после устройства русловых карьеров.

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие понятия о речных карьерах.

Речные карьеры подразделяют на русловые и пойменные. Среди русловых карьеров можно выделить в качестве основной подгруппы карьеры, разрабатываемые в пределах меженного русла. Их называют подводными русловыми карьерами или для краткости, просто русловыми карьерами.

Русловые карьеры могут быть одиночными или групповыми, расположенными на некотором расстоянии друг от друга по длине реки. Разрабатывают карьеры на всю ширину русла или на части его ширины. Если при взаимодействии карьера с водным потоком на верховом участке реки возникает попятный размыв, то такой карьер называют длинным, при отсутствии попятного размыва - коротким.

По характеру гидравлической структуры потока в карьерной выемке, русловые карьеры подразделяют на малые и большие. В малых карьерах всю площадь продольного сечения выемки при ее затоплении транзитным потоком занимает водоворот. В больших карьерах водоворотные области существуют только за верховым откосом и перед низовым откосом выемки. В остальной части карьерной выемки, между водоворотами наблюдается транзитное течение.

В Болгарии предложена следующая классификация речных карьеров: о Русловые карьеры, расположенные в речном русле, вызывающие деформации русла на участках выше и ниже карьера:

а) карьеры расположенные в основном русле.

б) карьеры, разрабатываемые по всей ширине пояса меандрирования.

о Карьеры, расположенные вне основного речного русла и не

вызывающие его деформации:

а) карьеры, расположенные в старицах, в действовавших

второстепенных рукавах, перекрытых с верховой стороны и

5

оставшихся за пределами регуляционных сооружений, б) карьеры, расположенные на речных террасах.

1. 2. Основные принципы и условия размещения карьеров на реках.

о Принципы:

Разработка русловых карьеров дает возможность получения дешевых строительных материалов. Однако изъятие материалов из русел рек приводит к таким изменениям рек, которые являются причиной прямых экономических потерь и экологических катастроф, вызывающих - часто трудно предсказуемые, социальные, технические и другие отрицательные последствия. Все это должно быть по возможности полно оценено еще при проектировании русловых карьеров, с целью обоснования целесообразности их разработки.

Для возможного уменьшения или полного исключения негативных последствий разработки речных карьеров, распологаемых в руслах, прежде всего необходимо использовать некоторые правила (приемы) размещения речных карьеров. Эти приемы могут быть активными, т.е. исключающими частично или полностью появление некоторых видов негативных последствий (например, исключение попятного размыва посредством устройства донной траверсы), и пассивными, т.е. не исключающими причин появления отрицательных явлений, а лишь несколько смягчающими эти последствия. К разряду пассивных приемов относится, в частности, изменение размеров карьеров (т.е. изменение глубины и длины). Рациональные приемы размещения речных карьеров должны базироваться на правильном представлении о геолого-литологическом строении речных долин и о русловых процессах, проявляющихся в виде размыва, транспорта и отложения руслоформирующих наносов с созданием при этом русловых форм, характерных уже для изменившихся (по сравнению с бытовыми) условий транспорта наносов.

А. Необходимо учитывать, что геолого-литологическое строение речных долин не случайно, а закономерно, и сформировано в современном русловом процессе. В разрезе легко выделяются: коренные породы ___ б

(КП), древний аллювий (ДА), современный аллювий (СА) и найлок поймы (НП) на реках с поймами.

B. Необходимо учитывать, что транспорт наносов в руслах рек - это перемещение современного аллювия, который и изымается при разработке карьера и представляет собой несвязный грунт, удобно разрабатываемый, и главное, легко транспортируемый гидромеханическим способом.

C. Необходимо учитывать, что транспорт современного аллювия в руслах рек описывается уравнением баланса наносов. Нарушение баланса наносов при разработке карьеров немедленно приводит к деформациям русла.

о Условия размещения:

А. Наилучшее размещение карьера при отсутствии речных инженерных сооружений - это устройство пойменных карьеров.

Добычу инертных материалов для строительства можно производить в местах, где на реке до настоящего времени не возведены и не предусмотрены к строительству какие-либо сооружения (например, мостовые переходы). В этом случае наиболее целесообразным является размещение карьера на пойме с удалением пойменного наилка, разрабатываемого, предпочтительно, механическим способом, так как использование гидротранспорта для удаления наилка затруднительно. Вход в пойменный карьер из русла, разрабатывают земснарядом, предназначенным для выемки современного аллювия из карьера. Габариты входа назначают в зависимости от способа транспортировки грунта из карьера и от типа судов, используемых для вывоза грунта. Эффективной является подача грунта в штабель, из которого грунт забирают по мере необходимости. При значительном удалении штабеля от карьера целесообразна перекачка пульпы по трубопроводам. Затруднения в размещении карьера на пойме могут возникнуть при большой мощности слоя пойменного наилка, что свойственно рекам с очень большой шириной разлива. Наоборот, благоприятным условием

размещения карьера является наличие на пойме рукавов.

Расходы руслоформирующих наносов на пойме равны нулю, т.е. нет притока наносов в карьер, но и нет движения этого вида наносов ниже карьера. Разработанный карьер руслоформирующими наносами заноситься не будет. Будет иметь место постепенное заиление карьера мелкой, нерусловой взвесью, являющейся материалом для создания пойменного наилка. Выработанный карьер может быть оформлен как бытовой, так и технический водоем (пруд).

B. Наилучшее размещение карьера при наличии на реке инженерных сооружений.

Добычу сыпучих строительных материалов можно производить в местах, где на реке имеются инженерные сооружения, в частности, мостовые переходы, насыпи которых на поймах являются подходами к мосту. В этом случае целесообразнее всего карьер располагать на пойме, но обязательно в нижнем бьефе мостового перехода, так как большие карьеры, располагаемые в верхнем бьефе, сильно изменяют рельеф поймы (по сравнению с бытовым), что может привести к опасности возникновения сильных продольных течений, угрожающих устойчивости перехода.

В русле реки происходят деформации, вызываемые сжатием водного потока подходами к мосту. Следует иметь в виду, что нет аналогии между последствиями разработки руслового карьера и образованием зоны размыва перед мостом, под мостом и за мостом из-за сжатия потока. При разработке карьера в русле наносы изымаются, а в зоне влияния моста только перемещаются из зоны размыва в зону отложений.

C. Размещение руслового карьера на участке, находящемся в подпоре от гидротехнического сооружения.

Добычу инертных материалов производят и в русле, в местах, находящихся

в подпоре от сооружений в речной долине (например, в подпоре от плотины).

Обычно объем добычи грунта из руслового карьера относительно невелик по

8

сравнению с емкостью водохранилища, и поэтому уровень воды в нем при изъятии современного аллювия практически не изменяется, даже если суточный объем изъятия грунта превышает суточный объем занесения водохранилища современным аллювием, поступающим сверху по течению. Наиболее экономичным, с точки зрения возможности уменьшения стоимости разработки карьера, является размещение зоны выемки грунта в хвостовой части водохранилища, где будет небольшой высота подъема грунта с разрабатываемого дна.

0. Русловой карьер, размещаемый непосредственно в главном русле реки в бытовых условиях Добыча инертных материалов в этом случае производится путем изъятия грунта (современного аллювия) непосредственно из речного русла. То есть, речь идет о собственно русловом карьере, который обязательно подлежит расчету.

Главное отличие руслового карьера от пойменного состоит в том, что если в пойменном карьере отсутствует приток руслоформирующих наносов сверху по течению и вынос их вниз по течению, то в русловом карьере приток наносов сверху по течению обязательно есть, в то время как вынос наносов из карьера вниз по течению или отсутствует, или составляет весьма малую часть бытового притока. Это вызывает смыв дна участка реки, где поток вновь насыщается наносами до бытового расхода. При этом на значительном протяжении русло размывается, и одновременно закономерно понижаются уровни воды на участках попятного размыва, в карьере и на участке насыщения наносами; после окончания разработки карьера он заносится руслоформирующими наносами, но дно его при этом уже не может подняться до бытовых отметок.

Деформации русла с течением времени распространяются все дальше вверх и вниз от места разработки руслового карьера, причем снижение уровней воды и отметок дна происходит в полном соответствии с объемами выработки карьера.

Е. Размещение руслового карьера вблизи мостового перехода. Наилучший вариант размещения руслового карьера вблизи мостового перехода - непосредственно ниже ямы размыва за мостом (рис. 1.1), в месте размещения вала отложений.

Рис. 1.2.1. Схема размещения руслового карьера в нижнем бьефе мостового перехода:

1 - ось моста; 2 - вал отложения наносов; 3 - проектируемый русловой карьер; ЛИ -

максимальная глубина общего размыва.

Изъятие некоторого объема грунта в этом случае будет даже способствовать улучшению условий судоходства.

Если объем карьера меньше объема ямы размыва \Л/кар < \Л/разм , то весь объем изъятия руслового аллювия будет полностью компенсирован продуктами общего размыва под мостом.

При \Л/кар > \Л/разм , простирание карьера возрастает в низовую сторону, а вымываемый под мостом грунт лишь частично компенсирует объем его изъятия, дно русла ниже карьера (по течению) обязательно будет размываться, и величину этого размыва необходимо определять расчетом. Это делают для оценки прогнозируемых условий работы инженерных сооружений, расположенных ниже по течению.

Что касается безопасности сооружений самого мостового перехода, то размещение руслового карьера по отношению к створу моста (выше, ниже по течению или непосредственно на участке мостового перехода) не имеет значения в случае, когда глубина разработки карьера не превышает расчетную

максимальную глубину общего размыва под мостом. Однако, прогноз деформаций русла выше и ниже карьера для оценки его влияния на другие речные сооружения по-прежнему необходим.

По данным Г.Г. Наумова, примером такой ситуации может служить �