автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Оптимизация параметров трапецеидальных оросительных каналов в земляном русле



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПАТРИНА МАРИЯ ЮРЬЕВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ В ЗЕМЛЯНОМ РУСЛЕ.

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и

мелиоративное строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Ю.Б. Полетаев

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

1.1 Классификации каналов...................................,8

1.2 Основные задачи гидравлического расчета оросительных каналов и методы их решения................................. . .12

1.3 Рекомендации по выбору геометрических характеристик каналов .......................................................19

1.4 Методы определения оптимальных уклонов каналов в выемке........................................................25

1.5 Выбор высотного положения каналов систем самотечного орошения ..................................................... 31

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ УКЛОНОВ ХОЛОСТЫХ ЧАСТЕЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ.

2.1. Постановка задачи......................................35

2.2. Исходные данные и расчетные схемы................................37

2.3. Решение задачи для берегового рельефа типа «речная долина»' (1-ый расчетный случай)...............................41

2.4. Решение задачи для «предгорной равнины» (2-ой расчетный случай) ...................................................50

3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОСТЫХ ЧАСТЕЙ МК.

3.1. Анализ зависимости уклонов от относительной ширины канала по дну и заложения откосов................................5 6

3.2. Исследование зависимости объема выемки от геометрических характеристик канала......................................59

3.3. Оценка приемлемости уклонов по условиям неразмываемости и незаиляемости русла.......................................66

3.4. Рекомендации по выбору оптимальных геометрических характеристик и проектированию холостых частей МК..............69

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ШИРИНЫ ПО ДНУ И ВЫСОТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОРОСИЕЛЬНОГО КАНАЛА.

4.1. Постановка задачи. Предварительная оценка влияния (3 и Ъ.к

на стоимость строительства канала.........................7 6

4.2. Разработка методики выбора оптимальных [3 и hk для

«идеального» канала.......................................84

4.3. Корректировка методики выбора (3 и hk применительно к реальным каналам............................................95

ВЫВОДЫ.................................................103

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................105

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................110

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Канал - одно из древнейших и наиболее распространенных гидротехнических сооружений. Каналы как водопроводные, ирригационные, транспортные артерии начали строиться тысячелетия тому назад.

Многочисленные исследования, посвященные каналам, позволили решить многие проблемы, связанные с их расчетом, проектированием и строительством. Установлены закономерности равномерного и неравномерного, установившегося и неустановившегося движений, изучены вопросы движения наносов и устойчивости русел, формы русловых процессов в необлицованных каналах и т.д.. В то же время до сих пор отсутствуют или крайне расплывчаты рекомендации по выбору некоторых геометрических характеристик даже простейших, наиболее распространенных трапецеидальных каналов .

Так, например, в редких работах, рассматривающих вопрос выбора уклона канала, транспортирующего воду из ее источника в заданную точку, рекомендуется в основном «слепой» перебор вариантов с целью поиска наиболее экономичного решения/ характер зависимости объемов выемки от уклонов исследован только качественно .

Очень неопределенны рекомендации по выбору относительной ширины некоторых трапецеидальных каналов по дну. Хорошо известно, что для каналов в выемке наименьшие объемы работ ха-

рактерны при малой их ширине по дну. Исследователями гидравлики русловых потоков установлен факт появления вторичных течений в широких и даже сбойности течения в очень широких руслах. Специалисты в области технологии и организации строительства отмечают снижение единичной стоимости выемки грунта при уменьшении глубины, то есть увеличении ширины канала. Большинство рекомендаций по выбору относительных размеров сводится к тому, что их поперечные сечения следует проектировать близкими к гидравлически наивыгоднейшим.

Еще в 60-е годы Угинчус A.A. показал, что, когда канал трассируется с уклоном поверхности земли, в принципе существует оптимальное с экономической точки зрения высотное положение канала по отношению к этой поверхности. Например, при одинаковой единичной стоимости выемки и насыпи оптимальное превышение уровня воды в канале над поверхностью земли является в общем случае положительным. Между тем, подавляющее большинство специалистов до сих пор уверены в том, что канал в неглубокой выемке всегда дешевле, чем канал в полувыемке-полунасыпи.

Настоящая работа является попыткой разрешения некоторых из указанных выше проблем и противоречий применительно к трапецеидальным оросительным каналам с расходами от 10 до 150 м3/с.

Цель работы. Более конкретно основные задачи исследований были сформулированы следующим образом:

- выявление преобладающих форм берегового рельефа рек -источников самотечного орошения;

- решение задач прямого вычисления оптимальных уклонов холостых частей магистральных каналов;

- исследование зависимости оптимальных уклонов и объемов от расхода и характеристик поперечного сечения канала/

- разработка рекомендаций по выбору геометрических характеристик магистральных каналов систем самотечного орошения.

Все перечисленные задачи в той или иной мере реализованы.

Научная новизна работы. Разработана методика определения диапазона уклонов, отвечающих минимумам объемов работ по холостой части магистральных каналов для береговых рельефов типа «речная долина» и «предгорная равнина»; исследована зависимость оптимальных уклонов и объемов работ от характеристик канала; составлены практические рекомендации по выбору оптимальных, с точки зрения капитальных затрат, геометрических характеристик крупных оросительных каналов.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная методика позволяет прямым путем определить оптимальный уклон холостой части и высотное положение магистрального канала. Применение данной методики обеспечит экономический эффект от снижения стоимости строительства канала.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждена многочисленными сравнительными вычислениями объемов (а иногда и приближенных стоимостей работ) с использованием предложенных автором рекомендаций и по традиционным методикам поиска оптимальных вариантов методом итераций.

Реализация работы. Результаты работы обсуждены на заседаниях научных семинаров кафедр гидравлики, инженерных мелиора-ций, гидрологии и охраны окружающей среды, совместном семинаре кафедр гидротехнических сооружений и экономики и организации гидротехнического строительства СПбГТУ. Основные положения диссертации отражены в 3 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 86 страниц машинописного текста, включающего введение, 4 главы ( глава 1 - существующие рекомендации по расчету и проектированию оросительных каналов - 27 стр.; глава 2 - решение задач оптимизации уклонов холостых частей магистральных каналов - 21 стр./ глава 3 - анализ полученных результатов; разработка рекомендаций по оптимизации геометрических характеристик холостых частей МК -

21 стр.; глава 4 - разработка методики оптимизации относительной ширины по дну и высотного положения оросительного канала -

22 стр.), выводы, библиографию из 4 6 наименований и восьми приложений на 29 страницах.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ.

1.1 Классификации каналов.

Каналами называют искусственные русла с правильной формой поперечного сечения и безнапорным движением воды з них. Одним из важнейших признаков, по которым классифицируют каналы, является их назначение, или выполняемые функции. По этому признаку каналы подразделяются на следующие классы [33,40,41]:

1) оросительные (ирригационные);

2) гидроэнергетические;

3) водопроводные и обводнительные;

4) судоходные;

5) водосбросные;

6) осушительные;

7) каналы прочего назначения (лесосплавные, рыбоходные, спортивные и др.)

Иногда один канал выполняет несколько функций в качестве примеров можно привести оросительно-водопроводные, обводни-тельно-судоходно-энергетические каналы.

По способу подачи воды в них каналы делятся на самотечные и с механической подачей воды (машинные каналы). Наиболее распространены самотечные каналы [19,20,41], вода в которые поступает из источника самотеком при наличии соответствующей

разницы уровней и движения по руслу под влиянием градиента напора (уклона свободной поверхности). В машинные каналы вода подается с помощью насосных станций. Каналы последнего типа применяют, когда потребитель воды расположен на более высоких отметках, чем водный источник, и когда строительство самотечного канала оказывается неэкономичным в связи с большой глубиной выемки.

Основным объектом настоящих исследований являются самотечные оросительные каналы, хотя можно сразу отметить, что некоторые подходы, используемые в дальнейшем, и часть полученных результатов могут найти применение при проектировании каналов другого назначения, например, водопроводных, обводнительных, судоходных.

По месту, занимаемому в оросительной системе (рис. 1.1) и выполняемым функциям различают следующие типы оросительных каналов [19,20,32,41]:

1) холостая часть магистрального канала, которая в системе самотечного орошения подводит воду к орошаемым площадям и постепенно выводит ее на так называемые командные отметки;

2) магистральный канал - основной канал оросительной системы, и его ветви/

3) межхозяйственные распределители различного порядка, транспортирующие воду к отдельным хозяйствам;

4) хозяйственные и внутрихозяйственные распределители;

Рис. 7.7.

Водозабор

Холостая часть МК Рабочая часть МК Межхозяйстбеннае распределители

5) каналы водосборно-сбросной сети, собирающие излишки воды и отводящие их за пределы оросительной системы.

В общем случае оросительные каналы могут иметь различные формы поперечного сечения: трапецеидальную, параболическую, полигональную, ложбинообразную, прямоугольную, некоторые комбинации перечисленных выше форм. Наиболее часто при строительстве каналов в нескальных грунтах используются «относительно простые в производстве работ симметричные трапецеидальные сечения/ при сооружении крупных каналов применяют также полигональные и каналов в слабых грунтах - параболические формы сечений .

По высотному положению сечения относительно поверхности земли различают каналы в глубокой выемке, у которых строительная глубина значительно превосходит глубину наполнения канала (hcTp.»h); каналы в выемке (hcrp.sh); полувыемке-полунасыпи и в насыпи. Каналы в выемке - это, в основном, холостые части магистральных каналов. В полувыемке-полунасыпи трассируется большинство оросительных каналов, высотное положение которых диктуется необходимостью создания определенной высоты командования - превышения уровня воды над поверхностью земли для самотечного выхода воды на поля. Каналы в насыпи используются очень редко - только при пересечении отдельных понижений местности небольшой протяженности.

Наконец, Алтуниным B.C. [4] предложена еще одна классификация - «гидротехническая классификация каналов в земляном

русле по пропускной способности и гидравлическим сопротивлениям». Согласно этой классификации все каналы в земляном русле можно разделить на малые с расходом менее 50м3/с, средние -50<(2<200м3/с и большие - О>200м3/с. По мнению автора в каналах первых двух классов в тех случаях, когда наблюдается преимущественно установившееся движение и средние скорости относительно невелики, интенсивность руслового процесса пренебрежимо мала. Поэтому, произведя расчет такого канала по допустимым скоростям, можно обеспечить так называемую статическую устойчивость его русла [4,4 6], характеризуемую почти полным отсутствием деформаций или, в крайнем случае, появлением слабо подвижных рифелей на дне канала, то есть практическую неизменность формы поперечного сечения канала.

1.2 Основные задачи гидравлического расчета оросительных каналов и методы их решения.

Расходы крупных межхозяйственных и магистральных каналов длительные промежутки времени остаются постоянными. Например, основной расчетный расход оросительного канала - максимальный, может не изменяться в течение многих суток и даже недель. Все каналы разбиваются перегораживающими сооружениями на отдельные бьефы, в пределах каждого из которых уклоны обычно сохраняются

постоянными, а расход по длине изменяется незначительно только в связи с относительно небольшими потерями на фильтрацию.

Все это дает основания считать движение на отдельных расчетных участках канала при прохождении максимального расхода установившимся и равномерным, то есть использовать для гидравлического расчета формулу Шези [19,40,44,45]:

у = Сд/кГ и С> = а)С7ш,

Для основного вида каналов - трапецеидальных, справедливы следующие элементарные зависимости (рис. 1.2): площадь живого сечения

ю = (Ь + шЬ)Ь,

или

© = (р+т)112;

(1.1) (1.1а)

где Ь —ширина канала по дну;

11— глубина наполнения канала;

Ш-коэффициент заложения откосов;

р —относительная ширина канала по дну;

К Ь П

(1.2)

смоченный периметр сечения

или

% = Ь+2М1+т2 =Ь+тЪ; Х = (Р+ш')Ь;

(1.3)

(1.3а)

где

т

= 2л/1 + т2;

гидравлический радиус

Рис. 1.3.

11= — = —-— . (1.4)

X Р+т'

Для определения коэффициента Шези С чаще всего используют эмпирические формулы [6,20,40,45]

1 >

Маннинга С = — Л6; ' (1.5)

п

или Павловского С = —И.у;

п

где п-коэффициент шероховатости; у=Г(К;п).

Как известно, коэффициент шероховатости назначается всегда с известным приближением и ошибка может достигать 5-10%. Поэтому особенно для приближенных предварительных расчетов обычно используется простая зависимость (1.5) .

К числу основных задач, которые приходится решать при гидравлическом расчете каналов, относятся следующие.

Задача №1. Даны <2; (3; Ш/ п; Д.. Требуется определить И

и Ь.

Записываем с учетом (1.5) формулу Шези в виде:

п

подставляя в нее значения (0 (1.1а) и Я (1.4) и решая полученную зависимость относительно 1п, имеем:

п (р+т)

(Qn)a38(ß+m')a25 (ß+m)°'63i019 ' (L6)

Формула (1.6) не является оригинальной, зависимости подобного вида приводятся в [19,20,32,40,41].

С учетом (1.2) находят b = ßh и. в соответствии с нормативными документами [38] округляют до стандартных значения Ьст-

Применительно к крупным каналам эта величина принимается равной 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 и далее через 1м.

При таком округлении ширины канала по дну, а также при выборе Ь из условий производства работ, необходимо решать несколько иную задачу.

Задача №2. Даны Q; Ь; ш; n; i. Требуется определить h.

Эта задача решается [45] подбором или с помощью специальных графиков. Такие графики прилагаются, например, к известному курсу гидравлики Чертоусова М.Д. [42] или могут быть построены в процессе расчета канала. Задаваясь разными глубинами

наполнения, вычисляют модуль расхода K = CöC-\/R = — COR2 3 и строят

п

график зависимости K=f(h). Вычисляя модуль расхода по известным Q и i, находят по графику искомую величину.

Vi

При решении обеих описанных задач расчет не заканчивается определением глубины наполнения - производятся проверки устойчивости русла найденных размеров на незаиляемость и неразмы-

ваемость. Проверки выполняются по допустимым незаиляющей (иНз)

и неразмывающей (1)нр) скоростям [38] .

От крупных наносов обычно избавляются на входе в водозаборные сооружения оросительных ' систем. Значительная часть взвешенных наносов может улавливаться в головных отстойниках. Считается [19, 20, 28], что в систему и на орошаемые поля могут поступать лишь -наносы крупностью не более 0,01мм. В этом случае допускаемая незаиляющая скорость может определяться в соответствии со СНиП [38] по приближенной формуле Абальянца С.Х. [2] :

Uro = 0,3R1/4 (1.7)

Допускаемые неразмывающие скорости для каналов в земляном русле с расходом менее 50 м3/с определяются по специальным таблицам приложений СНиП [38], где они находятся в зависимости от характеристик грунта и размеров канала. Для приближенных расчетов может использоваться формула Черкасова A.A., фигурирующая в старой редакции СНиП:

uHp=uoR1/4, (1.8)

где 1)о- допускаемая скорость для данного грунта при гидравлическом радиусе R=1m и изменяется для различных грунтов в пределах примерно от 0,4м/с (мелкозернистые пески) до 1,1 м/с (плотные глины).

Скорость в необлицованном оросительном канале при максимальном расходе должна находится в пределах:

Шз<Ш