автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Неоднородная шероховатость частично облицованных русел крупных каналов

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса по изучению гидравлических сопротивлений и шероховатости больших каналов

1.1. Анализ известных зависимостей для определения гидравлических сопротивлений и шероховатости крупных каналов

1.2. Экспериментальные исследования шероховатости в руслах открытых каналов

1.3. Изучение шероховатости земляных и облицованных каналов

1.4. Исследования влияния неоднородности различных покрытий каналов на коэффициенты шероховатости и величину пропускной способности

1.5. Исследования русловых процессов (деформаций) и гидравлических сопротивлений крупных земляных каналов

Актуальность работы. В настоящее время в России и в странах ближнего зарубежья эксплуатируется большое количество каналов с расходом более 100 м3/с, характерной особенностью которых является их комплексное назначение. Так, например, такие каналы, как Каракумский, Северо-Крымский, Главный Каховский одновременно используются для орошения, обводнения, водоснабжения и судоходства.

Большой Ставропольский канал подает воду для орошения 210 тыс. та земель, обводнения на площади 2,5 млн. га и водоснабжения населенных пунктов, в том числе городов Кавказских Минеральных вод.

Применение бетонных облицовок на таких каналах позволяет существенно уменьшить влияние некоторых факторов на эксплуатационный режим работы, исключить размывы русла, снизить потери на фильтрацию и повысить пропускную способность.

На пропускную способность крупных каналов непосредственное влияние оказывают гидравлические сопротивления, шероховатость русла и поперечные размеры каналов.

Надо признать, что в процессе эксплуатации подобных сооружений значения шероховатости и гидравлических сопротивлений изменяются в сторону увеличения, что связано с условиями эксплуатации, механическими повреждениями и снижением прочности покрытий, их надежности, зарастанием и появлением водорослей.

Более того, такие каналы, как Большой Ставропольский и ряд других, проектировались и строились как каналы в земляном русле, однако в процессе эксплуатации наблюдалось большое количество аварийных ситуаций, таких как суффозионные и просадочные явления, оползание и разрушение откосов, зарастание и заиление каналов, в следствие фильтрации воды через дно и откосы канала. 6

В результате фильтрационных и других явлений на пртотегающей территории сложилась не6лаготг[5иятная гадрометгорологаческая обстановка (подъем уровня грунтовых вод. подтопление территории и Т.Д.). аварийных участках устраивались различные виды облицовок: бетонно-ггаеиочные экраны, монолитные железобетонные облицовки и др.

При определенных условиях эксплуатации укрепленных участков русел, пропуске форсированных расходов воды, воздействии температурных факторов, механических повреждениях и фильтрации происходит процесс трещинообразования, раскрытие и вымывание швов и разрешение бетона.

Такие каналы облицованы частично (то есть на самых опасных или аварийных участках). № необлицованных участках происходят явления заиления, рашыва, зарастания и фильтрации. На каждом участке канала образуются особые условия эксшзуатацим, например на облицованных участках на пщравличеакие сопротивления воздействуют такие явления как разрушения швов облицовок, . разрушение бетона, трешинообразование, появление на облицовках илистой плеши и мха.

Естественно, на таких канашх значение шероховатости и гидравлических сопротивлений изменяются от участка к участку, то есть по длине, а также они могут изменяться по периметру, (облицованы только откосы или только дао).

В процессе экатлуагации, изменяются коэффициенты Шфоховатости и гидравлических сопротивлений на облицованных участках и на участках в земляном русле, вследствие заиления, зарастания, размыва и деформаций ложа и защитных покрытий каналов.

Цель исслэдовшдш : экшфимштальное и теоретическое изучение влияния неоднородности покрытия русел крупных каналов на значения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений, и на базе полученных данных исследований разработка научно обоснованной 7 методики расчёта щяшшительно для условий частично обжщсжанных русел.

В соответствии с ттоетшлешюй целью были рассмотрены и решены, следующие .задачи:

- вывод теоретических зависимостей для определения приведенного коэффиЩ'1шта шероховатости русла канала с .неоднородным покрытием по длине в условиях равномерного и неравномерного движения воды ГЪлучение эмгщшчегаачх зависимсчлей для определения коэффициента шероховатости и коэффшацента пщрашжчежого трон-га для участков канала с разш-шными шямй облицовок;

- экшфимешальные исследования по изучению гадравдических сопротивлеажй в частично облицованных каналах;

- натурные исследовшшя влияния неоднородности облицовки на. гидравлические сопротивления каналов.

- разработка метододики гадрашжчеекого расчета крутшх частично облшхованных русел каналов.

Методы иссждованир!. В процессе выполнения дассертащюшюй работы проводились теоретические, натурные и лабораторные гидравлические исследования. этапе теоретических исследовакш! использовались методы мате^штического моделирования, математической статистики и теории вероятности.

При проведении экспериментальных иссждрваний использовалась методаса гидравлического моделирования. Для разработки новых методов расчетов использовались ПЭВМ

Натурнью исследования проводились на головном участке первой очереди Большого Сгавропожжого канала

При проведении натурных исследований на головном участке БСК проводгпкж весь комплекс щдромеарических исследований с 8 использованием известных методов и приборов, аттестованных аютветигоукжщми ведомствами. учение влияния неоднородной облицовки по длине канат на значение гидравшческих гопротивлекий и цюроховатосли в лабораторных условиях проводились на моделях с соблюдением геометрического, кинематического и динамического подобия.

При выполнении эксперименхвльных лабораторных исследований для измерения скоростей использовались шжровертушки конструкции НГМД, расходы определялись при помощи водосливов-водомеров, для измерения глубин ишользовались уровнемеры и другое вспомогательное оборудование.

Экспериментальные исследования выполнялись в лаборатории кафедры гидравлики и инженерной гидрологии НГМА.

Научную новизну работы составляют теореаические зависимости для определения коэффициентов шероховатости, приведенных по длине какала, дж частично облицованных русел при условии равномерного и неравномерного движения воды;

- зависимости для определения коэффициента шероховатости и коэффициента гидравлического трения для участков с заданным законом изменения шероховатости;

- расчетные формулы для определения коэффициеита Шези и допускаемой неразмывающей скорости русла канала с щебеночным защитным покрытием;

- результаты натурных исследовяюш неоднородного частично облицованного русла первой очереди Большого Ставропольского канала;

- экспериментальные, графичеасие и эмпирические зависимости влияния различных облицовок на пропускную способность и величину щоравлических сопротивлений; 9

- методика гадравлического расчета крупных частично облицованных русел каншюв ;

- рекомендации по расчету экшлуатации крупных канатов с часшчно облицованными руслами.

Практическую ценность работы составляют:

- закономерности и количественные показатели влияния неоднородности облицовок, чередования облицовок и земляного русла нв гидравлические сопротивления и шероховатость;

- предложенные расчетные зависимости коэффициентов шероховатости и коэффициентов пщравлдекского трения для часшчно облицованных кнншюв;

- методика расчета частично облицованных русел крупных канаюв которая апробирована и применена на первой очереди БСК,

- практические рекомендации по эксплуатации крупных каналов с частично облицованными руслами;

Т^рлрение результатов. Предложенные теоретические и эмпирические зависимости, методика расчета сложных неоднородных русел каналов и практические рекомендации по жсплуатации крупных каналов использованы управлением по эксплуатации Большого Ставропольского канала Карачаево-Черкесской Республики.

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых и специалистов НГМД. (Новочеркасск; 24 мая 1997 года), а также на научно-технических конференциях кафедры гидравлики и инженерной гидрологии НГМА (2426 апреля 1998 г, 15-17 мая 1997 г, 22-25 апреля 1999 г\ кафедры водного хозяйства ЮРГТУ (апрель 1999), и на иаучно-технической конференции, посвященной 70-летию строительного факультета ЮРГТУ (22-25 мая 2000 г).

Публикации. ГЬ материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

JO

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Общий объем составляет 220 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков, 13 таблиц. Список использованных источников состоит из 101 наименований, в том числе зарубежжк авторов.

Общие выводы

1. Анализ этигуатации ряда крупных каналов показал, что в процессе их эшхлуазации вследствие таких явлений как размыв, зарастание, русловые деформации, заиление, разрушение облицовок и т.д., значения коэффициентов шероховатости в крупных каналах возрастают на 50-100% и существенно отличаются от проектных данных

2. ГЪлучены зависимости для определения приведённых коэффициентов шероховатости по длине канала при равномерном движении для частично облицованного русла, отклонение знамений от экспериментальных данных составило от1,5 до9,0 %.

Получены зависимости для среднего коэффициента шероховатости и гидравлического трения для участков с изменяющейся по длине шероховатостью, значения которых отличаются от среднего значения на 17,7 %. Это показывает, что позволяет повысить точность расчёта принятых коэффициентов шероховатости.

3. Предложены формулы для определения шероховатости и неразмывакяцей скорости русла канала с щебёночным покрытием.

Установлено, что коэффициенты шероховатости щебёночного покрытия изменяются в пределах 0,024-0,028.

4. ГЪлучены эмпирические расчётные формулы (9-12) для коэффициента шероховатости и коэффициента пщравлического трения русел каналов с бетонными покрытиями и щебёночным защитным слоем.

5. Разработана методика расчёта частично облицованных каналов, которая позволяет точнее учитывать влияние различных комбинаций частично облицованного русла на значение шероховатости и пропускной способности для условий равномерного и неравномерного движения, а также предложены рекомендации по эксплуатации крупных частично облицованных каналов, которые позволят уменьшить число аварийных ситуаций в 2-2,5 раза, снизить потери воды при экшлуатации в 3-4 раза и избежать снижения пропускной

199

1. Агроскин И. И. К расчету скоростного множителя. Гидротехническое строительство, № 10, 1953

2. Агроскин И. И. Расчётная формула для коэффициента Шези при квадратичном законе сопротивления. Гидротехническое строительство, №2, 1949

3. Агроскин И. И., Штеренлихт Д. В. Уточнённая формула для коэффициента Шези. Гидротехника и мелиорация. №9, 1965

4. Асанова Д. А. Гидравлические сопротивления заросших каналов. Труды ТИИМЕХ: Гидравлика водопроводящих сооружений. Ташкент, 1987

5. Алтунин В. С., Бородин В. А., Ганчиков В. Г., Косиченко Ю. М. Защитные покрытия оросительных каналов. М:Агропромиздат. 1988

6. Алтунин В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах.: «Колос», Москва, 1979

7. Альтшуль А. Д., Войтинская Ю. Д., Казенов В. В., Полякова Э.Н. Гидравлические потери на трение в водоводах электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1985, с-79

8. Альтшуль А. Д., Гидравлические сопротивления, М: Недра, 1970

9. Альтшуль А. Д. Обобщенная зависимость для гидравлического расчёта трубопроводов. Гидротехническое строительство, 1976, №7

10. Альтшуль А. Д. Обобщенная формула коэффициента Шези для открытых русел. Метеорология и гидрология, 1980, № 7200

11. Айвазян О. М., Багдасарян С. С., Сравнительные исследования гидравлического сопротивления в случае спокойных и бурных равномерных неаэрированных потоков в призматическом русле. Труды координационного совещания по гидротехнике.- М: Энергия, 1969

12. Айвазян О. М. Новые исследования и новая методика гидравлического расчёта быстротоков с усиленной шероховатостью. Гидротехническое строительство, №4,1992

13. Айвазян О. М., Зона гидравлического сопротивления земляных каналов, Гидротехническое строительство, 1997, №11

14. Айвазян О. М., Гидравлические сопротивления и пропускная способность равномерных бурных потоков в бетонных руслах, Гидротехническое строительство, М: Энергоатомиздат, 1992, №6, с 3339

15. Айвазян О. М. Замечания о некоторых формулах коэффициента Шези. МСХ СССР, МГМИ сборник кафедры гидравлики, М: 1966

16. Автономов Б. П., Овчаренко И. X., Полевые исследования по определению потерь на Большом Ставропольском канале. Труды НИМИ 1975, Т. 16, вып. 5, с 67-79

17. Абальянц С. X. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах, Гидрометеоиздат, 1981

18. Абальянц С. X. Гидравлические сопротивления в земляных каналах. Труды САНИИРИ, вып. 108, Ташкент, 1960

19. Allen I. Streamlin and turbulent flow in open cannals. PhiL Mod-and. Journal of Science» vol, 1934

20. Бахметев Б. А., О равномерном движении жидкости в каналах и трубах. Издательство «Ленинградская правда», Ленинград, 1929

21. Белоконь П. Н., Инженерная гидравлика потока под ледяным покровом, М.: Энергоиздат, 1940

22. Беновицкий Э. Л. О некоторых закономерностях изменения коэффициента Дарси в открытых руслах с растительностью. Водные201ресурсы,-1991, №6

23. Беновицкий Э. Я, Критерии подобия потоков в руслах с водной растительностью. Мелиорация и водное хозяйство. 1989, №3

24. Богомолов А. Н., Боровков В. С., Майрановский Ф. Г., Высокоскоростные потоки со свободной поверхностью, Статистическое описание бетонной облицовки, М: Стройиздат, 1979

25. Горбачёв П. Ф., Формулы скорости течения жидкости. М: Главная редакция строительной литературы. 1936

26. Гончаров В. Н. Динамика русловых процессов. JI: Гидрометеоиздат, 1962

27. Гаранина Е. В. Пропускная способность простых открытых русел. Автореферат на соискание научной степени к.т.н., Москва, 1993

28. Гришанин К В., Гидравлические сопротивления естественных русел, С-Петербург.: Гидрометеоиздат, 1992

29. Гришанин К. В. Гидравлика, издательство «Речной транспорт», Ленинград 1962

30. Готлиб Я. Я., Кузьмин И. А., Раззоренов Ф. Ф., Сокольников Н. Н., Натурные гидрологические исследования при проектировании ГЭС, Л.: Гидрометеоиздат, 1971

31. Дидковский М.М., Родионов И. А. Коэффициент шероховатости земляных каналов большого сечения. Киев, Издательство АН УССР, 1966

32. Денисенко И. Д., Определение скоростного множителя потока в русле с неоднородными стенками. Российский межведомственный совет, Научно Технический сборник, «Гидравлика», 1966, №2, с 66-77

33. Железняков Г. В. «Пропускная способность русел каналов и рек». Л.:1. Гидрометеоиздат, 1981

34. Железняков Г. В. Гидрометрия. М: Колос, 1964

35. Железняков Г. В, Овчаров Е. Е., Инженерная гидрология и регулирование стока, М.: Колос, 1993202

36. Железняков Г. В., Даннлевнч Б. Б., Точность гидрологических измерений и расчетов. Л: Гидрометеоиздат, 1966

37. Зегжда А. П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. Л.: Издательство по строительству и архитектуре. 1957

38. Иваненко Ю. Г. Устойчивые потоки и структурные особенности динамических процессов в неразмываемых и размываемьк руслах. Автореферат на соискание учёной степени д. т. н., Москва, 1993

39. Ибад-Заде Ю. А., Водопроводные каналы, М; Стройиздат, 1975

40. Ибад-Заде Ю. А. Транспортирование воды в открытых каналах. М:1. Стройиздат, 1983

41. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Ленинград. Издательство «Машиностроение», 1975

42. Косиченко Ю. М. «О допускаемых скоростях и изменчивости гидравлических сопротивлений в бетонных руслах каналов. «Гидротехническое строительство», 1993, № 7

43. Косиченко Ю. М. К гидравлическому расчету облицованных каналов. Известия высших учебных заведений: Строительство, 1993, №2, с 41-43

44. Косиченко Ю. М., Гидравлика мелиоративных каналов, Новочеркасск.: НИМИ 1992

45. Косиченко Ю. М., Гидравлические сопротивления и шероховатость бетонных русел каналов. Водные ресурсы, №2,1993

46. Косиченко Ю. М., Колганов А. В., Гидравлическая эффективность и надёжность оросительных каналов, М: Издательство «ЮМА», 1997

47. Косиченко Ю. М., Полякова Н Ю., Гидравлические сопротивления бетонных русел каналов, Новочеркасск.: Известия ВУЗов, Технические науки, 1997, №1

48. Косиченко Ю. М., Турянская Н. И., Влияние случайного характера распределения водной растительности на коэффициент шероховатости русел малых водотоков, Новочеркасск.: Сборник научных трудов НГМА, Мелиорация открытых ландшафтов, 1997203

49. Косиченко Ю. М., Гурин К. Г., Определение приведенного коэффициента шероховатости для неоднородного русла канала по длине, Новочеркасск.: Известия ВУЗов, Технические науки, 1997. №3

50. Карасев И. Ф., Коваленко В. В., Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии, Санкт- Петербург.: Гидрометеоиздат, 1992

51. Карасев И. Ф., Русловые процессы при переброске стока -JI:

52. Гидрометеоиздат» 1975, с. 288

53. Ковалев JI. М. Расчёты зимнего стока под ледяным покровом. -М:

54. Госэнергоиздаг, 1950, с. 104

55. Calebrook and White, Proc., Royal, Soc, Land, Ser, A 1937, №4

56. Кнороз В. С. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы ее определяющие. Известия ВНИИГ. 1958, Т. 59

57. Кнороз В. С. Влияние макрошероховатости русла на его гидравлическое сопротивление. Известия ВНИИГ. 1959, Т. 62

58. Ларионова Л. В. Гидравлические сопротивления крупных земляных каналов в несвязных фунтах. Автореферат на соискание научной степени к. т. н., Москва, 1987

59. Леви И. И. Моделирование гидравлических явлений. Л: Энергоиздат» 1967, с-236

60. Лобанов Г. Л. Неразмываемые русла земляных каналов и разработка рекомендаций по их гидравлическому расчету, автореферат на соискание ученой степени к. т. н., Новочеркасск; НГМА, 1995

61. Маастик А. Л. О влиянии состояния потока на гидравлические сопротивления. Сборник научных трудов, ЭСХА, 1963204

62. Маастик А. А. О сопротивлении движению воды в открытых призматических руслах, 1959

63. Мирцхулава Ц. Е. «Основы физики и механики эрозии русел»

64. Мирцхулава Ц. Е., Надёжность гидравлических сооружений, М: Колос, 1974

65. Мирцхулава Ц. Е., О надежности крупных каналов, М: Колос, 1981

66. Meer-Peter, Muller R, Formulas for bed-load transport, ft-oc. Sec. Meet, Intern, Assoc, Hude, Strge, Res-Stockholni, 1948, Appendix, 39-64

67. Минский E. M. Основные характеристики турбулентного потока в длинных руслах. Труды Ц ДГН 1947, ВЫпб25

68. Никитин И. К. «Турбулентный русловой поток и процессы в придонной области», Киев.: издательство АН УССР, 1963

69. Nikuradse I., Strorniingssetzein rouden Rohren. VDI, Forschungshevt, № 5,1933

70. Оспанов A. H. Пропускная способность мелиоративных каналов с малыми уклонами. Автореферат на соискание степени к. т. н., Москва, 1985

71. ОксиюкО. П., Водоросли каналов мира, Киев, Наукова думка, 1973

72. Павловский Н. Н. Гидравлический справочник, ОНТИ, 1937

73. Полякова Н. Ю. Гидравлические сопротивления и пропускная способность бетонных русел при их эксплуатации, автореферат на соискание степени к. т. н., Новочеркасск, НГМА, 2000

74. Паспорт «Оросите льно-обводнительная система Большого Ставропольского канала», Ставрополь, издательство Севкавгипроводхоз, 1979

75. Полад-Заде А. П. Статистические описания при исследовании дна крупного канала Доклады ВАСХНИД 1980, № 8, с 41-43

76. Рабкова Е. К. Методика расчёта русловых переформирований для потока повышенной мутности. Речная гидравлика и гидротехника, М: 1973, с 91-104205

77. Рабкова Е. К. оектирование и расчет оросительных каналов в земляном русле, М.: издательство университета дружбы народов, 1990

78. Рабкова Е. К., Метод расчета крупных каналов, Гидротехника и мелиорация, 1976. №4, с 76-84

79. Рекомендации к гидравлическому расчету крупных каналов, под редакцией КурановаГ.В., М: «Союзгипроводхоз, 1987

80. Рекомендации по проектированию и эксплуатации каналов. Каналы систем водоснабжения и ирригации, М: издательство литеразтуры по строительству, 1972

81. Родионов И. А. Движение воды в каналах с искусственной шероховатостью Гидротехническое строительство, I960, № 9

82. Сарсекеев С. А., «Основы построения условной линии раздела при наличии разнородных шероховатостей по смоченному периметру канала»

83. Сабанеев А. А. Состояние вопроса об определении коэффициента Шези. Известия НИИ Гидротехники, 1974, т. 32

84. Срибный М. Ф., Формула средней скорости течения рек и их классификация по сопротивлению движению. Исследования и комплексное использование водных ресурсов, М: I960

85. Срибный И. К. Влияние крепления откосов на пропускную способность каналов. Мелиорация и водное хозяйство, 1990, № 6

86. Справочник по гидравлике, под редакцией Большакова В. А., Вища школа. Киев, 1984, с 343

87. Степанов П. М., Овчаренко И. X., Игнатенко С. И Основы гидротехники и гидрологии. -М: Колос, 1977

88. СНиП 06.03.85. Мелиоративные системы и сооружения. М: Госстройиздат, 1967

89. Турсунов Т. Н., Транспортирующая способность потока и гидравлические сопротивления земляных оросительных каналов, автореферат на соискание степени к. т. н., Ташкент, 1992206

90. Турсунов Т. Н. К вопросу выбора коэффициента шероховатости в каналах, транспортирующих взвешенные наносы. Труды ТИИИМСХ, 1977. №93

91. Уралов Б. Р., Влияние шероховатости и формы живого сечения канала на потери напора при безнапорном движении жидкости, автореферат на соискание степени к. т. н., Ленинград, 1981

92. Угинчус А. А. Гидравлические и технико-экономические расчеты каналов. М: Стройиздат, 1965

93. Урванцев Г. С. «По трассам искусственных рек», книга для учащихся, М.: «Просвещение», 1987

94. Федяевский К. К., Фомина Н. Н., Исследования влияния шероховатости на гидравлические сопротивления, ЦАГИ, вып. 441,1940

95. Форхгеймер. Гидравлика. ОНТИ, 1935

96. Чоу В. Т. Гидравлика открытых каналов, М: издательство по литературе и строительству, 1969

97. Чугаев Р. Р. Гидравлика, учебник для ВУЗов. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1982

98. Шапиро X. Ш., Алиев Т. А., Динамика формирования русла Каракумского канала. Гидротехника и мелиорация, 1977, №7, с 27-32

99. Шевелев Ф. А. Исследования основных гидравлических закономерностей турбулентного движения в трубах. М.: Госстройиздат, 1953

100. Штеренлихт Д. В., Гидравлика: Учебник для ВУЗов в двух книгах. М.: Энергоиздат, 1991

101. Шиперко Е. Э. Гидравлический расчёт русел с неоднородной шероховатостью. Известия вузов, горный журнал, 1985, №7.