автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Научное обоснование повышения устойчивости каналовосушительно-оросительнои системы в связных и несвязных грунтах

На правах рукописи

Егорова Клавдия Григорьевба

и

Научное обоснование повышения устойчивости каналов осушительно-оросительной системы в связных и несвязных грунтах

Специальности: 05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное строительство;

05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Государственном предприятии -специализированном научном центре «Госэкомелиовод» и Коломенском институте переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

действительный член Академии водохозяйственных наук Лятхер Виктор Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Алексеев Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент Аптунина Галина Сергеевна Ведущая организация - Производственное объединение «Совинтервод»

Защита состоится 30 июня 2000 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К120.41.01 в Государственном предприятии -специализированном научном центре «Госэкомелиовод» по адресу: 107005, Москва, ул. Бауманская, 43/1. ГП СНЦ «Госэкомелиовод».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП СНЦ «Госэкомелиовод».

Автореферат разослан........мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Колесникова Татьяна Васильевна

-082.034 ,0

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В сложных гидрогеологических условиях, каналы осушительно-оросительной системы выполняют двойную функцию: в весенний период они осуществляют отвод дренажных вод, а в вегетационный период транспортируют воду для целей орошения. Недостаточно полный учет на этапе проектирования физико-механических свойств грунтов русла, турбулентных характеристик течения воды и гидрогеологических условий часто является причиной деформации русел каналов во время эксплуатации. Так, например, процессы деформаций сечений каналов могут проявляться при воздействии фильтрационного давления в периоды подъема уровня грунтовых вод, прохождения паводков, выпадения обильных атмосферных осадков, а также при работе водорегулирующих сооружений и насосных станций.

В последние годы в Российской Федерации из-за ограниченного финансирования проектирование и строительство объектов мелиоративного и водохозяйственного назначения выполняются в недостаточных объемах, однако ведутся ремонтно-восстановительные работы для сохранения работоспособности действующих оросительных систем. Эти обстоятельства вызывают необходимость проведения специальных исследований для разработки научно-обоснованных методов расчета устойчивости каналов осушительно-оросительной системы в различных грунтовых и гидрогеологических условиях.

Цель и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в исследовании устойчивости русел каналов осушительно-оросительной системы в Нечерноземной зоне России и разработке инженерных методов их расчета, а также в создании рекомендаций по повышению устойчивости русел путем частичного укрепления откосов с учетом экономии ресурсов.

Для реализации поставленных целей потребовалось решение ряда задач:

сбор, систематизация и анализ данных натурных исследований на каналах Яхромской осушительно-оросительной системы;

выявление факторов, определяющих устойчивость русел каналов в сложных гидравлических и гидрогеологических условиях;

анализ существующих методов расчета статической устойчивости откосов земляных сооружений с позиции механики грунтов;

сбор, систематизация и анализ данных экспериментов по изучению характеристик кинематической структуры потока в укрепленных трапецеидальных каналах с различными значениями углов заложения откосов;

обоснование и выбор формул для расчета значений допускаемой (неразмывающей) скорости в связных и несвязных грунтах в зоне высачивания грунтовых вод;

обоснование и выбор формул для расчета параметров устойчивого сечения русел;

решение математических задач, связанных с быстрым опорожнением канала в неблагоприятных гидравлических и гидрогеологических условиях;

разработка метода гидравлического расчета каналов на основе учета факторов, определяющих устойчивость русел в различных грунтовых, гидравлических и гидрогеологических условиях;

разработка рекомендаций по повышению устойчивости русел каналов.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

на основе анализа данных натурных исследований, выполненных различными организациями в течение ряда лет на каналах Ях-

ромской осушительно-оросительной системы Дмитровского района Московской области, выявлены факторы, определяющие состояние устойчивости искусственных водотоков в сложных гидравлических и гидрогеологических условиях;

для расчета значений угла откоса в зоне высачивания грунтовых вод, на основе использования принципа Кулона, получено новое выражение;

для расчета параметров устойчивого русла, сложенного связными и несвязными грунтами в зоне высачивания грунтовых вод, впервые рассмотрено совместное решение уравнений Кулона и движения воды;

получены теоретические зависимости для расчета расхода фильтрационного потока через откосы и дно канала, а также значения скорости для условий нестационарной геофильтрации;

выведены критериальные уравнения для оценки устойчивости частицы несвязного песчаного грунта на откосе и дне канала для различных гидрогеологических условий;

разработан метод расчета устойчивости каналов, сложенных связными и несвязными грунтами, с учетом гидродинамического давления грунтовых вод на их откосы;

теоретически и экспериментально обосновано применение креплений для повышения устойчивости русел каналов в зависимости от гидравлических и гидрогеологических условий с учетом экономии ресурсов и других экономических критериев.

Вышеперечисленные результаты выносятся соискателем на защиту.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием для вывода расчетных формул физических схем, основанных на реальных экспериментах, проведенных в полевых и лабора-

торных условиях. Данные расчетов, выполненных по методу соискателя, сопоставлены с данными натурных исследований на водотоках с реальными условиями формирования русел потоком в зоне высачивания грунтовых вод идентичными изучаемым физическим процессам. При получении научных результатов были также использованы основные уравнения механики сплошной среды.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Метод расчета устойчивости русел каналов осушительно-оросительной системы и рекомендации по повышению их устойчивости путем частичного закрепления откосов, разработанные в диссертационной работе, а также полученные новые выражения для условий нестационарной геофильтрации, предназначены для применения при проектировании, строительстве и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных объектов. Научные результаты используются в учебном процессе переподготовки и повышения квалификации руководителей и специалистов подотрасли мелиорации и водного хозяйства Агропромышленного комплекса.

Публикации по теме диссертации. Основные положения диссертации изложены в 1 учебно-методическом пособии, 2 статьях, 2 брошюрах и монографии.

Апробация работы заключается в докладах и обсуждениях на заседаниях научно-технических советов инженерного центра «Союзвод-проект», Депмелиоводхоза Минсельхозпрода России, ГП СНЦ «Госэко-мелиовод», Коломенского ИППК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований, в том числе иностранных - 24 наименования. Диссертационная работа изложена на 246 страницах машинописного текста, иллюстрирована 42 рисунками, содержит 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В первой главе диссертации изложены характеристики объектов и результаты натурных исследований устойчивости русел каналов. Проведенными исследованиями установлены следующие причины деформации русел каналов Яхромской осушительно-оросительной системы и осушительных систем с водоприемниками на реках Хотча, Шухрома и Дубна:

1. Фильтрационные деформации, вызванные разностью уровней грунтовых и транспортируемых по каналу вод.

2. Оползание оттаявшего грунта по мерзлому откосу.

3. Образование в зимний период на откосах и бермах каналов в земляных руслах морозобойных трещин, которые при снеготаянии заполняются водой и приводят к обрушению откосов.

4. Сжимаемость грунтов, слагающих откосы и дно канала, приводит к оползанию и оплыванию откосов. Это происходит под действием дополнительных нагрузок (например, давление кавальера вынутого грунта или пропуск автотранспортной техники по берме канала).

5. Промоины, вызванные сосредоточенным стоком талых и ливневых вод.

6. Превышение фактической скорости течения воды над допускаемой (неразмывающей) скоростью для грунтов откосов канала, особенно при наличии положительной фильтрации, то есть при действии фильтрационной силы на откосе канала.

Анализ данных натурных исследований показал, что каналы (как не защищенные, так и с частичной защитой сеяными травами или фильтрующей пригрузкой), построенные в сложных гидрогеологических и геологических условиях, с прослойками мелкозернистых несвязных и слабосвязных грунтов, при неправильном назначении угла заложения

подводного откоса не могут длительное время сохранять проектное сечение. При этом, основные формы деформации русла - выпирание, оползание и обрушение. Происходит так же и заиление русла наносами. В диссертации в табл. 1.1... 1.29 приведены соответствующие данные, которые показывают, что для большинства каналов, находящихся в эксплуатации более 20 лет, фактические отклонения параметров сечения от проектных лежат в пределах от 1,0 до 2,0 м - по глубине, и от 2,0 до 10,0 м по ширине русла.

В каналах двойного действия интенсивное разрушение откосов происходит в период массового полива. Укрепление откосов такими средствами как пленочные и матовые покрытия, повышает эксплуатационную надежность каналов и, как следствие, приводит к снижению затрат на ежегодные ремонтно-восстановительные работы. В конце первой главы сформулированы задачи исследований, которые включают в себя изложенные выше вопросы.

Вторая глава диссертации посвящена анализу методов расчета устойчивости земляных откосов с позиции механики грунтов. Показано, что откосы различных земляных сооружений, глубоких выемок, каналов и естественных склонов всегда находятся под влиянием различных нагрузок и воздействий. При оценке значений этих нагрузок и воздействий, нередко приводящих в эксплуатационных условиях к нарушению устойчивости откосов, правильный учет конкретных природно-климатических, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, характера протекания гидродинамических процессов и изменчивости физико-механических и геологических свойств грунтов является чрезвычайно важным.

В диссертации подробно рассмотрены классификация откосов, возможные формы движения земляных масс на откосах и склонах, дано

описание расчетных условий, используемых при определении устойчивости земляных откосов.

При расчете устойчивости откосов, в инженерной практике часто применяются методы плоских поверхностей скольжения с использованием принципа Кулона (Франсе (1820), Э. Винклер (1979), Пятерсен, Феаляниус, К. Терцаги, Д. Тейлор, A.A. Ничипорович, H.H. Маслов, P.P. Чугаев, А.И. Иванов, У.А. Тер-Аракелян, Н. Янбу, А. Казагранде, М.Н. Гольдштейн, Б. Хансен, И.Ф. Федоров и др.).

При наличии определенных геологических и конструктивных особенностей некоторые откосы часто рассчитываются по методам ломаных поверхностей скольжения. Такой расчет является неопределенным и требует введения большего количества условностей и допущений, чем в методе круглоцилиндрических поверхностей скольжения (Берер, Л.Н. Вернадский, Г.М. Шахунянц, Эренберг, Ю.М. Хетман, Б.А. Пышкин и др.).

В расчете устойчивости откосов используются строгие методы теории упругости, суть которых сводится к следующему: по заданной внешней нагрузке, в массиве грунта, как в линейно-деформируемой среде, определяются главные напряжения (cti и стг) или компонентные напряжения в выбранной системе координат. Степень устойчивости откоса в каждой точке характеризуется углом внутреннего трения <ркр, которым должен обладать грунт, чтобы при заданных главных напряжениях (или компонентах напряжения) он еще не пришел в состояние предельного равновесия (Н.П. Пузыревский, И.В. Яропольский, В.Н. Богданович, Бро-тец, Беннет и др.).

Особенно успешно в бывшем СССР и за рубежом развивались способы оценки устойчивости откосов с помощью теории статики сыпучей среды (Ренкин, Кеттер, Рейснер, В.Н. Новоторцев, В.В. Соколовский, И.С. Мухин, А.И. Страгович, К. Акан и др.).

Развитие методов расчета устойчивости откосов по теории предельного равновесия заключается в настоящее время в совершенствовании постановки самой задачи и широком применении ПЭВМ на базе использования численных методов.

Т.Г. Войнич-Сяноженцким и В.Г. Созановым (2000 г.) разработан новый аналитический способ расчета параметров двухотрезковой аппроксимации круглоцилиндрической поверхности скольжения при потере устойчивости откоса. По мнению авторов метода, с точки зрения эффективности практического использования он занимает промежуточное положение между обобщенным способом для плоской и для круглоцилиндрической поверхностей скольжения, давая конечный результат, близкий по точности получаемому при использовании круглоцилиндрической поверхности скольжения оползня.

Таким образом, выполненные в этой главе диссертации исследования позволяют отметить следующее:

1. В неглубоких земляных руслах каналов при Н < 3,0 м для расчета условий статической устойчивости земляного откоса может быть использовано уравнение Кулона:

*сдв =<*ёФ + С, (1)

где Тсдв - предельное сопротивление грунта сдвигу при нормальном давлении о и удельном сцеплении С.

2. Принцип Кулона может быть использован и при расчете устойчивости русла, сложенного связными и несвязными грунтами, в зоне вы-сачиванию грунтовых вод, но для этой цели в уравнении (1) необходимо учесть силы фильтрационного давления на откосы канала.

3. Одним из направлений работы является обобщение и анализ результатов исследований предыдущих лет по изучению кинематиче-

ской структуры течения водного потока по ширине русла и, в частности, на откосах канала.

В третьей главе диссертации выполнен анализ данных экспериментов различных авторов по изучению характеристик кинематической структуры потока в трапецеидальных каналах с закрепленными откосами. Именно при взаимодействии водного потока с руслом состояние закрепленных откосов канала будет адекватно условиям устойчивости, определенным с позиций механики грунтов.

Размыв русла определяется двумя основными факторами: интенсивностью пульсационного движения жидкости вблизи размываемой поверхности и наличием циркуляции жидкости, так как при этом мгновенные и осредненные величины скорости потока имеют компоненту, перпендикулярную размываемой поверхности, где существуют условия для отрыва частиц грунта от дна. В связи с этим, в диссертационной работе проанализированы результаты исследований А. Эйнштейна, М.А. Великанова, Б.А. Фидмана, М. Эскерта, Е.К. Рабковой, E.H. Мельниковой, О.Б. Шевченко, М.М. Селяметова и других ученых. Их анализ показывает, что в трапецеидальных руслах при уменьшении коэффициента заложения откоса (т) и параметра формы русла (ß) по ширине канала формируется соответствующая кинематическая структура потока. Например, при коэффициенте заложения откоса т=1,73 и ß=10,5 наблюдалась тенденция к выравниванию скоростей по ширине русла. При этом зоны с повышенными скоростями образовывались на откосах и в центре русла (B.C. Алтунин, Е.К. Рабкова, E.H. Мельникова, О.Б. Шевченко, М.М. Селяметов). Как отмечено в диссертации, появление зон с повышенными скоростями объясняется зарождением поперечных турбулентных вихреобразований (вторичных течений), вследствие увеличения удельного расхода на откосе и создания зон с повышенными сопротивлениями. Поперечные турбулентные вихри накладываются на

продольные составляющие скорости, которые создают на откосах зоны с повышенными скоростями, что приводит к выравниванию скоростей по ширине русла.

Как показал анализ данных экспериментов, приведенных на рис. 3.5 ... 3.10 диссертации, при уменьшении значений угла наклона откоса (0), вблизи поверхности (у) откоса наблюдается зона "застоя", в которой скорость и градиент скорости очень малы. Отсюда следует, что уменьшение величины угла откоса приводит к появлению у поверхности воды вблизи откоса зоны заиления. При этом условия размыва в остальной части сечения практически не меняются, что хорошо подтверждается данными натурных исследований на каналах Средней Азии (И. И. Горшков, САНИИРИ, Х.Ш. Шапиро, ВНИИГиМ).

В диссертации выполнен анализ результатов исследований различными авторами пространственной структуры турбулентного потока по ширине русла и сделана попытка раскрыть ее взаимосвязь с формами поперечных сечений канала. Как известно, развитие теории турбулентности открытых (безнапорных) потоков тесно связано с результатами исследований А.Н. Колмогорова и М.А. Обухова. Первые же измерения и изучение турбулентной структуры потока были выполнены Б.А. Фидманом и A.B. Шафаловичем, которыми был установлен факт распространения влияния берегов русла на струи, близкие к поверхности потока. Наличие в потоках высокочастотных и низкочастотных пульсаций более четко установлено исследованиями Б.А.Фидмана, В.М. Лятхера (лабораторный поток) и Д.И. Гринвальда (натурный поток). Экспериментальное изучение турбулентности русловых потоков, включающее исследование ее основных характеристик (интенсивности турбулентности, временных и пространственных корреляционных функций, масштабов турбулентности), в советские времена выполнялось известной школой H.A. Михайловой. В ее исследованиях раскрыт вид зависи-

мости интенсивности турбулентности, то есть среднеквадратичного

терной скорости (осредненной в данной точке, средней по вертикали, динамической, средней по потоку и т.д.) от положения точки в живом сечении русла. В большинстве существующих работ особое внимание уделено изменению а по осевой вертикали и менее полно изучалось поведение этой зависимости по всей ширине потока.

В диссертации проанализированы результаты измерений величин V, ст многих авторов из различных организаций (МГУ, институт "Союзги-проводхоз", В/О "Союзводпроекг"). Измерения проводились в направлении от поверхности к дну при одновременном убывании скорости, то есть в точках, лежащих на оси У. Ось У направлена вдоль поверхности откоса канала, начало координат совпадает с урезом воды (ось У смещена по оси 2. вверх на расстояние 0,5 см). Анализ данных лабораторных исследований показал, что в придонной области распространение интенсивности пульсационного движения ст достигает максимальных значений на расстоянии около 1/3 длины откоса, считая от уреза воды, и далее мало меняется по абсолютной величине.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке метода расчета устойчивости канала в связных и несвязных грунтах в зоне вы-сачивания грунтовых вод. В этом месте откосы канала подвергаются давлению фильтрационных сил, которые создают дополнительные сдвигающие усилия, вызывающие нарушение устойчивости, оплывание поверхностных разуплотненных водонасыщенных грунтовых масс, а в определенных гидрогеологических условиях при наличии высоких гидравлических градиентов - фильтрационный выпор объемов грунта.

Принцип Кулона (уравнение (1)) для предельного сопротивления грунта сдвигу, определяемый основными геотехническими характери-

откпонения скорости, нормируемого к какой-то харак-

стиками и силои гидродинамического давления грунтовых вод, выражается в виде:

+ р^щ® = ртё(р + с . (2)

Из равенства (2) получим:

При полной водонасыщенности грунтового массива выражение (3) можно написать в виде:

^{р^Мёср + С^

-я—

в(р„н+рвк) ' м

где р^ - объемная масса грунта при естественной влажности; /?взв -объемная масса взвешенного и насыщенного водой грунта, /7взв= (1 - ПпорМрг- Рв); Ппор - относительная пористость грунта; К -линейный размер частицы грунта (в расчетах рекомендуется принять К- 1м); ф - сила сцепления и угол внутреннего трения грунта при естественной влажности, 0 - угол наклона откоса к дну.

В диссертации показано, что при определении геометрических характеристик русла можно воспользоваться формулами Ю.А. Ибад-Заде - Р.И. Самедова, так как эти формулы выражают связь между параметрами формы поперечного сечения канала (В, Н) и углом наклона подводного откоса 0.

В = 2Н<^| (5)

Н = 0,866-|^®

1/2

(6)

В диссертации подробно рассмотрены вопросы, связанные с назначением допускаемой (неразмывающей) скорости в каналах, сложенных связными и несвязными грунтами в зоне высачивания грунтовых вод. Показано, что в существующих работах надлежащей ясности по определению количественных характеристик критических скоростей при фильтрации грунтовых вод в канал до сих пор нет. Конкретные рекомендации по определению значений допускаемой (неразмывающей) скорости для несвязных грунтов русла были разработаны Ишутиной Л.Р. под руководством проф. Алиева Т.А. Значения допускаемой (неразмывающей) скорости в однородных по крупности несвязных грунтах при положительной фильтрации в канал рассчитываются по формуле:

. х+1

н.доп

(, V

гр

Н

•в

8.79 • г.

1 -

гр

гр

\Н

(

(х + 1)-

С \ *гр

Vя/

л

23.86 •

гр

, (7)

2 Кщ<р

I{р, - Р. + \3SKc"у»

|1.5П(ррв ■ (0.21 + 0.08X^9»)

где К - вероятность отклонений значений угла внутреннего трения или сцепления от его среднего значения. Его осредненное значение можно определять по формуле К = рВзв/- глубина турбулентного пристенного слоя, для которого характерно логарифмическое распределение скоростей (в инженерных расчетах принимается 2.тр = (0,1...0,2)Н); Н -глубина потока; X - показатель степени, зависящий от коэффициента

V

/

гидравлического сопротивления (его значение в расчетах можно принимать равным 1/5); рг, рв - соответственно плотность грунта и воды; Снун - усталостная прочность на разрыв для мелкозернистых несвязных грунтов (определяется по формуле Ц.Е.Мирцхулавы Снун= 176(10® с!)"1).

Коэффициент Пф раскрыт с помощью экспериментальных данных Земляниковой М.В. и получена следующая формула:

Пл =

1 +

Га

Q

ig

(8)

где Q - расчетный расход воды в канале; - расход фильтрационного потока на 1 п.м. канала.

Методика определения значений фильтрационного расхода для стационарной и нестационарной геофильтраций рассмотрена ниже.

При определении неразмывающей скорости для связных и полусвязных грунтов может быть использована следующая формула, полученная ранее B.C. Алтуниным и Т.А. Алиевым и уточненная соискателем:

VHP=1,37Q0,07(d+K)0,325 g0,465[(yOr- pB)lpBf5, (9)

где при d = 0,00025 м К = 0,0; при d = 0,0001 м К = 0,00015; при d = 0,00005 м К = 0,00025; при d = 0,00001 м К = 0,00035; размерность К в формуле (9) принята в [м].

Вопрос влияния фильтрации грунтовых вод через откосы канала в связных грунтах на допускаемую (неразмывающую) скорость течения воды до сих пор в литературе не рассмотрен. В определении значений допускаемой (неразмывающей) скорости может быть использована следующая формула:

'р н

Ы 23.86 •

(10)

2АГ<гр

[(/>г -р,)е<1 + 1.35 кс ^ > |

| 9.0/?в (0 21 + 0.08

где Сну - определяется по формуле Ц.Е. Мирцхулавы: Сну = 0,035 Сн, Сн - нормативное удельное сцепление грунта.

Последовательность решения задачи по определению устойчивости русла канала состоит из следующих этапов:

1. В качестве исходных данных должны быть известными расчетный расход воды О, характеристики физико-механических свойств грунтов русла канала и положение уровня грунтовых вод.

2. Для определения значений угла наклона под водного откоса 0 и максимальной глубины потока Н совместно решаются уравнения (4) и (6).

3. Задаваясь различными значениями Н, по (4) определяем значения угла 0. Затем, задавая различные значения ©, определяем Н из уравнения (6). На основе полученных расчетных данных, строим график функции 0=^Н) и Н=^0). Точки пересечения кривых дают искомую величину 0 и соответствующую ей максимальную глубину потока Н. Далее ширину потока в канале по урезу воды определяют по формуле (5).

В диссертационной работе рассмотрены основные расчетные схемы, приведен пример расчета и выполнена проверка предложенного метода с применением результатов натурных гидравлико-гидрологических исследований на водотоках Республики Беларусь.

Далее рассмотрены вопросы влияния быстрого снижения уровня воды в канале на устойчивость его откосов и дна под влиянием возник-

1+1

\

новения фильтрационной силы, направленной вдоль откоса, и взвешивающего градиента давления, направленного в канал. В начале, рассмотрена задача о поступлении в канал воды из грунтового массива при быстром снижении в нем уровня по причине прорыва дамбы на трассе канала в месте пересечения им лога или оврага, а так же в случае внезапного отключения насосной станции. Принимается, что при этом в канале распространяется лагранжевая волна понижения.

Для решения в качестве исходного используется дифференциальное уравнение нестационарной фильтрации Буссинеска для верхнего фрагмента, ограниченного по низу горизонтальной плоскостью, совпадающей с дном канала, и уравнение Дюпюи - Дарси для напорного движения в нижнем фрагменте (рис. 1). Для верхнего фрагмента с безнапорным движением фильтрационного потока из группового массива в канал при быстром снижении в нем уровня воды, путем редукции уравнения безнапорной фильтрации Буссинеска в частных производных к интегральной форме (т.е. к уравнению в полных производных), в диссертации получено дифференциальное уравнение:

4/2 d^jt) h?-hf{t) dt hj + 2^о(0 dt ~ ml hl+2h0(t) • <11>'

в котором / — расстояние от оси OZ в сторону группового массива до глубины h/, т.е. невозмущенной (h/ = const) глубины грунтовой воды в верхнем фрагменте; ho(t) - зависящая от времени глубина воды в канале. В начальный момент времени t=0, ho(t) = ho = h/

Решение уравнения (11) получено при условии, что глубина воды в канале мгновенно падает от ho до ho'. В этом случае второе слагаемое

' к| и ш, коэффициенты фильтрации и пористость грунта в верхнем (I) фрагменте.

Формула (13) так же как (12) при Ь0'=О переходит в известную зависимость Лешбке К.Э., установленную несколько иным путем, и близки при Н0'- 0 формулам, полученным рядом других авторов.

Рис. 1.

Условные обозначения:

I - фрагмент первый (безнапорное движение грунтовых вод)

II - фрагмент второй (напорное движение грунтовых вод)

----кривая депрессии к моменту времени 1 = ^ > О

-х-х- кривая депрессии к моменту времени 1 = 12,> I! ---кривая депрессии к моменту времени t = >

----линии тока в области напорного движения грунтовых вод

Ь| = МО) глубина безнапорного потока грунтовых вод равная первоначальной глубине воды в канале Ь0(0) при 1 = 0

Н - толщина слоя воды с напорным движением грунтовых вод И, - высота высачивания фильтрационного потока в канал

(11) может быть опущено и интеграл уравнения (11) получается в виде:

1= Щ ^ -к^2

\ т1 ^4-2/го* ■ <12>

Внесение значения / в формулу Дюпюи для расхода приводит к зависимости:

Для скорости фильтрационного потока, втекающего в канал из грунтового массива (с одной стороны канала), получена зависимость:

Уф = ~ -y-Jghö . {14)

"ист ' L

Для скорости истечения фильтрационного потока на откосе канала расчеты выполняются при L=1, так как Яфпо формуле (14) представляет расход, втекающий в канал на единицу его длины, hMCT определяется как Kern =

С учетом приведенных зависимостей критериальное условие устойчивости частиц грунта на откосе канала при быстром падении в нем уровня воды и распространении фронта волны понижения с лагранже-вой скоростью записывается в виде:

(15)

L 3 С f Рв

где d - диаметр частиц грунта на откосе; f - коэффициент кулонового трения; g - ускорение силы тяжести и L по прежнему должно быть взято

равным 1 м, так как исходная зависимость для фильтрационного расхода (13) дана для одного погонного метра длины канала.

Расчеты по формуле (15) показывают, что верхняя половина откоса без отсыпки из крупной фракции или прикрытия бетонными плитами мест высачивания в канал грунтовых потоков через откосы неустойчива и ее оползание при быстром снижении уровня воды в канале практически неизбежно.

В диссертации приведен иллюстрированный пример по оценке устойчивости неукрепленных песчаных откосов канала глубиной ho = 1,6 м и следующими данными: коэффициент фильтрации грунтов массива Ki = 0,01 м/с (песок); коэффициент пористости mi = 0,4; средний диаметр частиц песка d = 0,375 • 10 3 м; коэффициент лобового сопротивления сх = 1,0; pw/рв - 1 = 1,2; коэффициент Кулонового трения f = 0,4. Формула (15) при этих данных приводит к неравенству (на один погонный метр канала)

1,75 • 0,01 • 0,4 • (1,6/1,0)^9,81-1,6 < 1,33 • (9,81 • 0,375 -10"3 /1,0) • 1,2(0,4eos0- sin©) или

0,044 < 0,0058 ■ (0,4 eos 0 • sin0).

В отношении прогнозирования устойчивости дна канала при быстром снижении в нем уровня, расчетная величина скорости восходящего фильтрационного потока получена в формуле:

у _2,2к2Н0Ио_

Уфл =-1 i =, (16)

Ь■ КД + - +0.565 Р-А-

Í ° 8 im^

в которой: b - ширина дна канала, тот - коэффициент заложения откоса, Но - мощность «напорного» водяного слоя; кг - коэффициент фильтрации грунта - нижнего (II) фрагмента; b как и L (14) и (15) следует принимать равным 1 м.

Анализ (16) показывает, что «вспучивание» дна канала (т.е. взмыв мелких фракций) возможно лишь при большой величине мощности Но нижнего водоносного слоя. В большинстве случаев, на практике возможность деформации дна канала по рассмотренной причине следует считать маловероятным.

В пятой главе диссертационной работы приведена классификация типов крепления откосов и общие принципы их применения, разработаны рекомендации для расчета устойчивости русел каналов в связных и несвязных грунтах с учетом гидрогеологических условий. Разработаны инженерные мероприятия по повышению устойчивости откосов, путем частичного их укрепления, в зависимости от высоты высачивания грунтовых вод.

Гидравлические параметры канала, определенные по разработанному методу, соответствуют устойчивому состоянию русла при гидродинамическом давлении грунтовых вод через откосы канала. Если коэффициент заложения откоса канала принимается меньше, чем рассчитанный при наличии фильтрационного давления на откосы (то есть при т < ГГЦ), для сохранения или повышения устойчивости русла должна быть определена масса фильтрующей пригрузки, противостоящей суммарному действию сил на откосы (сила тяжести, трение, фильтрационное давление, временные нагрузки, активное давление со стороны массы грунта и т.д.) Толщину пригрузки рекомендуется определять на основе технико-экономического сравнения отдельных проектных вариантов трассы канала с различными углами заложения его откосов. Устойчивость слоя пригрузки и грунта откоса к контактному размыву рекомендуется определять по формуле В.М. Шестакова.

В диссертации разработана математическая модель выбора оптимального способа и средств крепления откосов проектируемых каналов с учетом ресурсосберегающих технологий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сбор, систематизация и анализ данных натурных исследований на каналах Яхромской осушительно-оросительной системы Московской области и осушительных системах с водоприемниками на реках Хотча, Шухрома и Дубна показали, что каналы (как защищенные, так и с частичной защитой в виде засева трав и фильтрующих пригрузок), построенные в сложных грунтах с прослойками мелкозернистых песков, в неблагоприятных гидрогеологических условиях, при принятом в проекте значении коэффициента заложения откоса т = 2 не могут длительное время сохранять проектное сечение. Так, например, для большинства обследованных каналов, находящихся в эксплуатации более 20 лет, отклонения параметров сечения канала от проектных лежат в пределах от 1 до 2 м - по глубине и от 2 до 10 м по ширине русла.

2. Факторами, обуславливающими действительную устойчивость параметров каналов Яхромской осушительно-оросительной системы, являются:

фильтрационные деформации (выпирание, оползание и обрушение), вызванные разностью уровней грунтовых и транспортируемых каналом вод;

влияние быстрого опорожнения уровня воды в осушительно-оросительных каналах на устойчивость их откосов и дна;

превышение фактической скорости течения воды вблизи зон циркуляционного движения в части откосов канала над допускаемой (неразмывающей) скоростью течения воды для грунтов русла;

влияние силы гидродинамического давления грунтовых вод на действительные скорости течения воды.

3. Анализ существующих методов расчета статической устойчивости откосов с позиции механики грунтов показал, что в неглубоких руслах при Н < 3 м для оценки состояния канала может быть использовано уравнение Кулона (1), написанное для условия плоского сопротивления грунта сдвигу, определяемого в массиве силой сцепления и внутреннего трения.

4. Сбор, систематизация и анализ данных экспериментов различных авторов по изучению характеристик кинематических структур потока по ширине закрепленных трапецеидальных каналов с различными значениями углов заложения откосов показали:

при уменьшении значений параметров т и Р в потоке зарождаются поперечные турбулентные вихри (вторичные течения) и, следовательно, в откосных частях канал появляются зоны с повышенными скоростями, происходит резкое выравнивание осредненных скоростей течения воды по ширине русла;

прямые регистрации (опыты МГУ, ПО "Совинтервод") в зафиксированных точках придонной области интенсивности пульсацион-ной скорости в сечении канала с укрепленными откосами показали, что этот параметр сгх достигает максимальных значений приблизительно на расстоянии 1/3 длины откоса, считая от уреза воды, и далее мало меняется по абсолютной величине;

угол заложения, определенный из условия статической устойчивости при частичном укреплении откосов канала и равный 1/3 их длины, во время эксплуатации не меняется, то есть откосы канала не подвергаются размыву. Такое мероприятие позволяет максимально "обжать русло", сохранить плановую устойчивость, а также увеличить пропускную способность русла.

5. Для разработки метода расчета устойчивости русел каналов осушительно-оросительной системы в связных и несвязных грунтах использовались:

уравнение Кулона путем введения в него силы гидродинамического давления фильтрации на откосы для условий стационарной геофильтрации;

в качестве расчетных условий для определения геометрических характеристик русла канала - выражения Ю.А. Ибад-Заде - Р.И. Самедова, предложенные ими для расчета канала круглого сечения.

6. Проанализированы существующие выражения и рекомендованы формулы (7) и (10) для расчета допускаемой (неразмывающей) скорости в связных и несвязных грунтах.

7. Уточнена формула (9), которая также может быть использована для определения допускаемой (неразмывающей) скорости в полусвязных и несвязных грунтах.

8. Рассмотрены и решены математические задачи, связанные с быстрым опорожнением канала в неблагоприятных гидравлических и гидрогеологических условиях. В частности, получены аналитические выражения (14) и (16) для определения значений скорости фильтрационного потока для условий нестационарной геофильтрации.

9. Выведено критериальное уравнение для оценки устойчивости частицы несвязного песчаного грунта на откосе и дне канала в зоне вы-сачивания грунтовых вод.

10. Базисом гидравлического расчета каналов в связных и несвязных грунтах в сложных гидравлических и гидрогеологических условиях является совместное рассмотрение уравнений Кулона и движения воды, то есть уравнений (4) и (6), с использованием основных результатов, указанных в пункте 5. Сопоставление расчетных данных по формулам (4) - (10) сданными натурных исследований, выполненных на зарегули-

рованных участках рек Республики Беларусь, показало удовлетворительное совпадение.

11. По результатам выполненных исследований разработаны метод и рекомендации для расчета устойчивости русел каналов в связных и несвязных грунтах с учетом гидравлических и гидрогеологических условий.

12. Разработаны рекомендации по креплению откосов каналов осушительно-оросительной системы Дмитровского района Московской области в случае их реконструкции, а также математическая модель выбора оптимального способа и средств крепления откосов проектируемых и реконструируемых каналов.

13. Разработанные метод расчета и рекомендации по повышению эксплуатационной надежности каналов осушительно-оросительной системы используются Управлением «Мосмелиоводхоз» при проведении работ (предусмотренных как первоочередные на 2000...2010 годы) по реконструкции и капитальному ремонту гидротехнических сооружений, оросительных и осушительно-оросительных систем в Московской области (справка прилагается).

Автор надеется, что полученные результаты исследований будут полезны для проектных и эксплуатационных организаций, занимающихся аналогичными вопросами в Нечерноземной зоне Российской Федерации.

Научно-исследовательские работы по программе "Плодородие" Минсельхозпрода России продолжаются. Следовательно, по мере накопления новых данных по объекту исследований, основные идеи, заложенные в настоящей работе, получат дальнейшее развитие.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Егорова К. Г. Средства водоучета и их метрологическое обслуживание //Учебное пособие. ЦБНТИ Госконцерна «Водстрой», М., 1991. 94 с. (в соавторстве).

2. Егорова К. Г. Вопросы устойчивости неукрепленных каналов в Нечерноземной зоне России. Коломна, КИППК, 1997. 102 с.

3. Егорова К. Г. Расчет надежности откосов мелиоративных кана-лов//Вопросы мелиорации. №5-6, М., ЦНТИ, 1999. С. 84-87

4. Егорова К.Г. Эксплуатация мелиоративных каналов в нечерноземной зоне и факты их разрушения// Вопросы мелиорации, №5-6, М., ЦНТИ, 1999. С. 88-89.

5. Егорова К. Г. Метод расчета устойчивости каналов в зоне выса-чивания грунтовых вод. М., ЦНТИ, 2000. 6 с.

6. Егорова К.Г. Влияние быстрого опорожнения осушительно-оросительных каналов на устойчивость их откосов и дна. М., ЦНТИ, 2000. 14 с.

Подписано в печать 25.05.2000 г. Формат 60 х 90. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100. Заказ 1761. Отпечатано в Коломенской межрайонной типографии.