автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Проектирование дноуглубительных и выправительных работ на малых реках

1 3 НОЯ Ш5

НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕШЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи Ботвинков Владимир Михайлович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДНОУШБИТЕПБШХ И ШПРАВИТЕЛЫЫХ РАБОТ НА МАЛЫХ РЕКАХ

Специальность 05.22.17

"Водные пути сообщения и гидрография"

Автореферат

диосертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск, 1995

Вабота выполнена в Новосибирской государственное академии водного транспорта

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Селезнев В.М. доктор технических наук, профессор Грачев E.H. доктор технических наук, профеосор Попов Ю.А. Ведущая организация- Государственное предприятие

"Водные пути Енисейского бассейна" Защита соотоится 1995 г. в часов в

заседании диссертационного совета ДП6.05.01 в Новосибирске государственной академии водного транспорта по адресу: 630С г.Новооибирск-99, ул. Щетинкина.ЗЗ, НГАВТ, аудитория 222-л. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГА1 Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверении печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета

Автореферат разослан JuosJjL^ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного у^

совета, профессор, канд. техн. наук ^ ' ^/"С.Я.Зе

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Будущее речного транспорта России неразрывно связано с развитием хозяйства Сибири, Якутии и Дальнего Востока. Там, на огромных пространствах с колоссальными запасами нефти, газа и угля, металлов и других полезных ископаемых и при отсутствии развитой сети железных дорог речной транспорт незаменим для перевозок массовых грузов. При этом важную роль играют малые реки, многие из которых по своей протяженности и водности не уступают магистральным водным путям европейской части страны.

При транспортном освоении малых рек и проведении на них путевых работ эти водотоки нельзя рассматривать только как транспортный путь, но и учитывать, что малые реки и их водосборные бассейны являются источниками водоснабжения, а также основным! компонентам ландшафта, имеющими большое значение для экологического благополучия прилегающих земель. Ранимость природы на малых реках заставляет особенно вдумчиво относиться к природоохранным мероприятиям при выполнении дноуглубительных я исправительных работ по поддержанию или увеличению пропускной способности пути.

Методы проектирования дноуглубительных и вкправительных работ были созданы в основном для магистральных рек, на основе требований, . которые предъявлялись к ним в 50-60 - е годы, Количество и состав этих требований сейчас значительно изменился. Кроме того, характерной особенностью малых рек является большее еоз -действие дноуглубительных и выправительных работ на русловые процессы по сравнению с магистральными реками.

Наблюдаемое сейчас заметное сокращение финансирования путевых работ и связанное с ним уменьшение технических средств и трудовых ресурсов ставит в разряд актуальных задачи проектирования дноуглубительных и Еыправительных работ как на магистральных, так и на малых реках.

Актуальность работы подтверждается утвержденными программами развития и освоения малых рек Сибири и Саха-Якутии.

Цель работы и задачи исследова -н и й. Целью работы является разработка методов'проектирования путевых работ на малых реках с учетом их гидрологических, эколо-

гических и судоходных условий.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: ' оценка резервов увеличения габаритных размеров судового хр-

да;

совершенствование методов определения поля осредненных по глубине и донных скоростей течения и положения уровня свободной поверхности вода;

повышение устойчивости дноуглубительных прорезей; разработка методов проектирования и повышение роли отвалов грунта в стабилизации руслового процесса;

усовершенствование гидравлического обоснования выправительных сооружений с учетом их многоцелевого назначения и повышенной, по сравнению с магистральными реками, степенью их влияния на скоростной и уровенный режимы потока;

оценка влияния технологий производства дноуглубительных и выправительных работ на экологические условия малых рек.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработана универсальная методика оценки возможностей увеличения габаритных размеров судового хода, учитывающая достигнутый уровень выполнения путевых работ на реках России, допустимое понижение уровней воды и которая применима как к однорукавным , так и к многорукавныы участкам рек;

впервые предложен и апробирован способ активного повышения устойчивости прорезей не только за счет переуглубленкя, но и за счет создания условий для удаления наносов за пределы прорези на-носорегулирующими траншеями и донными порогами;

достигнуто усовершенствование методов построения планов течений и положения свободной поверхности на основе решения плановой задачи гидравлики, а для участков деления и слияния речных потоков и поворотов за счет более корректного использования гипотезы Вейхардта-Коновалова при наличии двух и более преимущественных направлений течения и определения коэффициента турбулентного обмена непосредственно из уравнений планового движения без использования корректива импульса трения, приводивший ранее мо -,дели подобного типа к определению положения свободной поверхности, по-существу, к одномерному подходу;

получены эмпирические зависимости, описывающие водоворотные ¡бласти в районах установок полузапруд и продольных сооружений а основе натурных и лабораторных исследований и при этом иссле-;ован' диапазон изменения отношений ширины к глубине русла до !50, что соответствует условиям не только малых рек;

впервые разработаны алгоритмы проектирования полузапруд и апруд на основе решения плановой задачи гидравлики, учитывающие х комплексное назначение;

предложена новая методика построения плана донных течении , оторая в отличие от прежних может быть использована для рек, кме-щих отношение ширины к глубине не до 20, а до 250;

впервые специально для земснарядов - землесосных и многочер-аковых, - разработана методика оценки повышения мутности при про-зводстве дноуглубительных работ и возведении выправительных со-ружений с помощью земснарядов;

разработан алгоритм расчета гранулометрического состава гру-та в отвалах в русло реки;

предложен оригинальный графоаналитический способ проектиро-ания продольных сооружений в узлах слияния потоков в виде итре-:к;

дополнен алгоритм оценки эксплуатационных резервов пропускай способности существующих габаритных размеров судового хода, ззволякиций выборочно в течение навигации с меньшими трудовым; зтратами выдерживать график дифференцированной гарантии глубин.

Практическая ценность работы состоит в эм, что предложенные в комплексе методы проектирования дноуглу-¡тельных работ позволяют повысить качество и обоснованность зкнятия технических решений и эффективность использования тех -¡ческих средств по улучшению судоходных условий на малых реках.

Реализация результатов работы. )едложенные в работе рекомендации использованы при проектных юработках транспортного освоения ряда рек Сибири. В Ленском юсейне: Киренга, Жуя, Чара, Мая; в Енисейском бассейне: Б.Пит, 'рейка, Б.Енисей, Бельмо; в Обском бассейне: Чулым, Чузик, Ба-1ган, Чижапка, Катунь; в Обь-Иртышском бассейне малые реки не-'егазоносных районов Западной Сибири: Аган, Тромъеган, Колек-■ан и др. Рекомендации по повышению устойчивости судоход!шх пробей внедрены на перекатных участках рек Катунь, Абакан, Курей-

ка и.Обь. При этом.объем дноуглубительных работ на этих участках сократился на 462,8 тыс.м3 грунта. Коренное улучшение судоходных условий выполнено в узлах слияния рек Ангары и Енисей, Абакан и Енисей, Чулым и Обь, Бия и Катунь, перекатах Пангинский и Альмяковский р.Чулым, Ленские "Щеки" р.Лены, Фоминском узле реки Оби. Методики построения планов течения использовались при выполнении многих научно-исследовательских работ, выполненных"-на кафедре водных путей и гидравлики 11ГАВТ, в Государственном гидрологическом институте и Павлодарским филиалом института "Союз-гипросовхоз".

Наиболео массовое внедрение нашли рекомендации автора по ощ нке влияния дноуглубительных работ на экологические условия рек, вошедшие в нормативный документ "Временные указания по оценке повышения мутности при землечерпательных работах, проводимых для обеспечения транзитного судоходства на реках и учету её влияния на качество воды и экологию гидробионтов".

Апробация работы

Результаты исследований неоднократно докладывались на про -фессорско-преподавательских и производственных конференциях ШИВТа (1975-82, 1984-90, 92, 93 гг.), всесоюзных конференциях по закономерностям проявления эрозионных и. русловых процессов (г, Москва, МГУ, 1981, 1983, 1987 гг., Новосибирск, 1992 г.), Всесоюзной конференции по динамике и термине рек, водохранилищ и ок -раинных морей (г. Москва, ИБП, 1989 г.), конференции по пробле -мам водных ресурсов дальневосточного экономического района и Забайкалья (г. Владивосток, ДВНИГМИ, 1988 г.), межреспубликанских совещаниях по совершенствованию путевых работ (г. Чрджоу, 1989г., г.Ленинград, 1990 г., г.Гомель, 1991 г., г.Новосибирск, 1992 г.), на технических советах Енисейского, Ленского, Иртышского и Обского бассейнов, на Сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике, посвященной памяти лауреата Нобелевской премии Л.В.Канторовича (г.Новосибирск, 1994 г.).

Кроме того, отдельные рекомендации автора изложены в учебных пособиях В.В.Дегтярева ?Проектирование и эксплуатация выпра-вительных сооружений на внутренних водных путях". - М.: Транс -порт, 1981, 224 е., и"Улучшение судоходных условий сибирских рек'

- М.:Транспорт, 1987, - 176 е., а также в учебнике Ч.В.Дегтярева "Охрана окружающей среды" - М.: ттанспорт, 1989, - 208 с.

Публикации

По результатам исследований автора по теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы

■ Диссертация состоит из введения, Б глав, заключения и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 150 страницах машинописного текста и включает 70 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.

Содержание работы

За последние годы в Сибири накоплен немалый опыт транспортного освоения ранее несудоходных рек, позволяющий на основе егс обобщения сформулировать основные положения оценки возмояшостей ло обеспечению необходимой пропускной способности на юй или иной реке со вскрытием технических и экономических резервов.

При транспортном освоении малых рек и проведении на них пу -тевых работ эти водотоки нельзя рассматривать только как транспортный путь, и надо помнить, что малые реки п их водосборные бассейны являются источниками водоснабжения, а также основными компонентами ландшафта, имеющими большое значение для экологического благополучия прилегающих земель.

Соотношения между габаритными размерам флота и габаритными размерами пути на малых реках совершенно иные, чем на больших реках.

Учет этих обстоятельств заставляет осуществлять проектирование к организацию путеЕЫх работ на малых реках, считаясь с рядом специфических условий.

В первой главе рассмотрены особенности судоходства на малых реках и связанные с ними особенности проектирования дноуглубительных и выправительных работ.

Организация судоходства на малых реках имеет целый ряд особенностей, обусловленных как сложившейся в последнее время общей структурой транспортного и технического флота, так и гидрологическими условиями, определяющими пропускную способность рек.

Главной особенностью организации судоходства на малых роках является значительно меньший срок судоходной навигации по сравнению с физической, а в большинстве случаев - кратковременный э>' -

спедиционный завоз грузов продолжительностью до 10-15 дней. Это обусловлено в основном тем, что грузы по малым рекам в большинств случаев завозятся крупнотоннажным флотом с осадками судов более I м, не приспособленным для работы в условиях ограниченного фарва тера. Имеющийся же в настоящее время мелкосидящий флот по оцен -кам эксплуатационников в состоянии обеспечить выполняемый объем перевозок по малым рекам лишь на 7-10$.

Гёзработка судоходных прорезей и возведение выправительных сооружений на малых реках оказывает значительно большее воздей -ствие как на русло реки, так и на прилегающие территории, чем ана логичные путевые работы на больших реках, которые часто оказывают локальное воздействие на русло реки.

Однако, учитывая большую чувствительность малых рек к вмешательству в их гидрологический режим, указанные обстоятельства более отчетливо показывают необходимость сведения к минимуму вмешательства в гидрологический режим малых рек.

Гидравлическое обоснование дноуглубительных и выправитель-ных работ на малых реках имеет ряд особенностей по сравнению с магистральными реками ввиду их большого относительного влияния на гидравлическую структуру потока.

Вторая глава посвящена оценке резервов увеличе -ния габаритных размеров судового хода.

При выявлении резервов увеличения габаритных размеров судового хода производится их сопоставление с предельными значениями габаритов, которые могут быть достигнуты на рассматриваемой реке. В качестве последних принимают величины, получаемые из местных гидрологических условий и характеристик устойчивости русла реки в целом.

Оценку наличия эксплуатационных резервов увеличения пропускной способности малых рек можно произвести: по полноте использования эксплуатирующимся флотом существующих размеров судового хода или, другими словами, по степени близости габаритов эксплуатируемых судов к предельно возможным габаритам судов, допускаемых существующими путевыми условиями.

Первая часть поставленной задачи решена О.И.Гордеевым, который ввел в рассмотрение коэффициент использования заданным судном (составом судов) габаритов судового хода.

Эти предложения О.Й.Гордеева безусловно полезны, но они не отражают такой важный фактор - каким образом достигнуты фактические глубины: то ли за счет многоводности навигации, то ли зз счет успешной работы служб путевого хозяйства. Избавиться от этого недостатка можно за счет анализа графиков плановой дифференцированной гарантии глубин и графиков потребных глубин для прохождения флота (рис. I) за отдельные периоды навигации (например, декадные или месячные).

На графиках, приведенных на рис. I, приняты следующие обозначения:

!-1 - отметка уровня воды;

Т - глубина потока;

Н.р- отметка проектного уровня воды;

фактические потребные глубины для прохождения флота.

Если кривые Т =/(Н) и %>-- близки, то плановые глубины, обеспечивающиеся службами путевого хозяйства, соответствуют фактическим потребностям флота в глубинах. Если же кривая Тер расположена левее кривой дифгарантии, то она может быть тоже смещена левее или ограничена по высоте. Это дает возможность перейти на обслуживание меньших глубин, что повлечет значительную экономию зредств, без ущерба для безопасности плавания судов.

Наличие таких графиков для отдельных декад или месяцев позволит выделить те периода навигации, в которые можно поддерживать слубины пониженные по сравнению с ранее планируешми глубинами.

В случае отсутствия существенных резервов полноты использования габаритных размеров судового хода обоснованным является по-зтановка вопроса об их увеличении.

Оценка предельного судоходного состояния реки производится эбычно на основе показателей устойчивости русла (показателей руслового режима).

Рассмотрен коэффициент руслового режима Кр в виде коэффициента Х.М.Полина, который приведен наш к безразмерному виду с сохранением его численных', значений. Достоинством этого коэффици-энта является возможность его определения как по кривой расходов, гак и через отношение глубины к ширине русла.

Приведенные в работе сведения о наличии тесной связи коэффи-хиента руслового режима Кр с другими показателями устойчивости

Рис.1. Графики т- 1 СИ") и Т-,-*СН)

1ЦЧ) и.

1 ! 1 III" /

V ; 1 .1/

1 А-

1 ^»^¿и «О ■ ! .

V : у/^ " | ' |

с^. с^ а^ V и

Рис.2. График сопоставления расчётных и экспериментальных величин-Ц .

русла (К.В.Гришанина, Н-. А. Границы на и ГГИ) свидетельствуют о его достаточной обоснованности и возможности использования в качестве основного показателя при создании методики увеличения пропускной способности на реках.

Полученные нами данные дали возможность оценить изменение коэффициентов руслового режима рек за долгосрочные периоды производства путевых работ. Установлено, что эти коэффициенты из -меняются для данной реки по мере её освоения. Предельные значения коэффициентов руслового режима КрР для рек Сибири и Дальнего Востока, отражающие современный уровень судоходного освоения рек, хорошо описывается зависимостью

где Кр - коэффициент руслового режима до производства дноуглубительных работ.

Практика производства путевых работ по увеличению габаритных размеров судового хода показала, что интегральной характеристикой влияния путевых работ на состояние реки является величина допустимого понижения положения проектного уровня яоды дМ , которая зависит от местных условий.

Найденное значение величины Кр позволяет оценить, какую следует ожидать посадку проектного уровня при достижении предельных глубины и ширины судового хода.

Величина лИ определяется подбором из уравнения для коэф -фициента руслового режима, представленного нами в виде

„Р +ШпП-Нмп)](Нпп-Н»п) „п0 (2)

где

_ ¿оОп( НМп - Вс )

Ум 77,---(3)

(Нпп -8.)

-Во-аЦ)- Ц(ит-Во)

(4)

во « йпр - чи - АЙ ; (5)

Ммп- *°(Цпп-Во) + Во (6)

Цмп - меженный уровень в проектном состоянии;

Йпп-Нп^ВДЙ- Уровень половодья в проектном состоянии;

Ци,, Мм - соответственно средний меженный расход и уровень вода; .

Нп, Оп - уровень воды, соответствующий высоте бровки

меженного русла и расход'воды при этом уровне;

100 -\JfyL , здесь принято Ь = 1000 м.

Если при данном состоянии реки коэффициент руслового режима Кр < КрР , то резервы увеличения габаритных размеров судового хода существуют. При Кр - Кр рассматриваемый участок реки на-ходитсл в состоянии предельной эксплуатационной устойчивости. Если Кр > КР , то увеличение габаритных размеров судового хода нецелесообразно.

Таким образом, рассмотренная методика позволяет выполнить-предварит ельную оценку резервов увеличения габаритных размеров судового хода для участков рек, находящихся в свободном состоя -нии. При этом использование в основе расчета величины коэффициента руслового режима позволяет рекомендовать данную методику как для однорукавных, так и многорукавных участков рек.

Третья глава посвящается методам гидравлического обоснования дноуглубительных рабов на малых реках для повышения устойчивости судоходных прорезей.

При гидравлическом обосновании дноуглубительных прорезей приходится решать несколько задач: трассирование прорези, оценка её устойчивости, оценка возможного понижения уровней вода, оценка влияния отвалов грунта на экологические условия реки.

Выбор планового положения судоходных прорезей (их трассирование) осуществляется на основе анализа направленности руслового

процесса и целей создания дноуглубитнльных прорезей. Здесь следует отметить работы К.В.Гришанина, С.Лелявского, Н.И.Маккавеева, Н.А.Ржаницына, Б.Ф.Снищенко и других авторов, которые внесли значительный вклад в решение этой важнейшей задачи проектирования дноуглубительных прорезей. Отмечая успехи, достигнутые в разработке рекомендаций по выбору планового положения дноуглубительных прорезей, обратим внимание на то, что решение одного из принципов трассирования судоходных дноуглубительных прорезей - минимальная заносимость, - достигается за счет выбора направления прорези и применения специальных средств регулирования движения донных наносов (основного фактора их заносимости для большинства рек) - регуляционных сооружений.

Эффективными средствами, способствующими повышению устойчивости дноуглубительных прорезей, как показали выполненные нами ис -следования, является создание вспомогательных наносоотсасывающих траншей и наносоулавливающих и наносонаправляющих переуглублений в пределах разрабатываемой прорези. Состав исагедаекий см. в таблице.

На решение этих задач направлены следующие рекомендации: создание в пределах прорези емкостей для аккумуляции наносов, транспортируемых потоком, для чего производится переуглубление крайних траншей; для уменьшения скорости движения верхней гряды предлагается увеличить глубину разработки верхнего участка прорези; создание на дне прорези такого рельефа дна, который образует поперечные донные течения, способные перемещать наносы за пределы прорези - это разработка прорези радиально-траншейным способом и косыми траншеями.

Разработка наклонных боковых траншей, направленных под углом о<- = 45° к потоку, который выполняет двоякую роль: во-первых, емкости для аккумуляции наносов, во-вторых, они создают донные течения, которые способствуют транспортировке наносов из прорези.

При разных расположениях прорезей возможны применения комбинации этих вариантов. Геометрические размеры плановой компоновки прорези должны определяться для каждого конкретного случая. В диссертации приводятся схеш планового очертания прорезей на участ -ках с разными типами руслового процесса. Соотношение, связывающее расстояние между траншеями ¿т и их переуглублениом , выражается эмпирическим соотношением

ТАблица

Состав модельных исследований донных течений в судоходных прорезях.

У Конфигурация прорези У Конфигурация прореви

А, В А

' » Ч \ '■» Ч » '» йЖШ

А, В А

"У 'ь < < ' ' у ''

1 А

<у У" ^ — "

А, в А

ЛМ /Г ? ¿/У ' У

Ч> \>

А,В А

—- — — —

А,В А

\ »

А А

-»■--- -Д.ОННЫЕ ТОКИ

где ёпр- ширина прорези; лТ и Т - соответственно переуглубление траншеи и глубина прорези.

Опытное внедрение предложенных способов разработки судоходных прорезей на семи перекатных участках рек Абакан, Катунь, Ку-рейка, Верхняя Обь показывает их эффективность. При этом значи -тельно сокращается объем дноуглубительных работ и их повторность.

Лдя построения плана осредненных по глубине течений на малых реках на основе накопленного нами опыта рекомендуется использо -вать метод, основанный на решении плановой задачи гидравлики.

В качестве исходной принята система дифференциальных уравнений плановой задачи гидравлики И.А.Шеренкова, в которой турбулентные касательные напряжения приняты согласно обобщенной гипотезы Рейхардта-Коновалова в системе координат, представляющих собой продольную криволинейную ось / , совпадающую с преимущественным направлением, и ортогональные к ней прямые поперечники п. . ^счетная схема уравнений имеет вид

i*3Ue /2в» _ -¿±32. "ЯЦ *

кШ г( гГ ' ъп

i- ^ SJL / Эв4 -П-

ы^в г 2Е (10)

¿эГ^Н Jxó 2>1 в эч ' и> (Г1)

-П

где ——— - новая поперечная координата, позволяющая свести русло в полосу постоянной ширины; В. Sa - переменные по длине - общая ширина русла и расстояние от оси до левого берега; с<. - корректив скорости; эе-1-6'И _ коэффициент Ляме в системе координат ¿ , r¿ ; G - кривизна оси t ; Ue, U y - соответственно продольная и поперечная составляющие скорости течения; ¡?¡, г H/.J / - гидравлический радиус эле -

ментарной струи ( и - глубина в данной точке); Сь - коэффици -ент Шези, определяемый через гидравлический радиус Яь ;А -коэффициент турбулентного обмена; К - корректив импульса трения.

Значения -/V и К определяются из расчета средних по вертикали скоростей течения при равномерном движении.

Использование решения системы уравнений (9) - (II) для расчета положения свободной поверхности часто приводит к существенным погрешностям, ^полненный нами анализ показал, что эти погрешности зависят от спрсоба определения пары значений величин-А. и К , принятого И.А.Шеренковым. Для уменьшения этих погрешностей нами предложено записывать четвертое слагаемое уравнения без корректива импульса трения.

■ Отсутствие в уравнении (Э) корректива импульса трения К позволяет избежать волевого подхода в определении пары величин А. и К из условия равномерного движения, которое по существу своди -лось к-решению уравнения с двумя этими свободными параметрами. Другим достоинством такого решения-является появляющаяся возмож -ность задавать коэффициент шероховатости переменным по ширине^ связан егог напр?шер, с диаметром грунтов, слагающих русло. Такой подход открывает широкие возможности для-создания методов построения планов течений и построения кривых свободной'поверхности на участках расположения русловых карьеров. Наш опыт многочисленных построений планов течений на основе рабочей программы решения системы уравнений (9) - (II) на .ЭВМ показал, что этот метод открывает широкие возможности оперативного получения планов течений для решения практических задач, при этом параллельно решается задача построения свободной поверхности. Сопоставление свободной поверхности для бытового и проектного состояний позволяет произвести оценку возможного понижения уровней воды. Полученный в результате, расчеиа план осредненных по глубине течений позволяет использовать его в дальнейшем для оценки негативного влияния отвалов грунта на экологические условия реки и служит основой для оценки устойчивости судоходной прорези по методу баланса наносов.

Для оценки устойчивости судоходных прорезей обычно используется метод баланса наносов в пределах равнорасходных струй осред-ненного течения. Такие расчеты правомерны только на прямолинейных участх:ах, а на поворотах необходимо использовать план донных (на высоте выступов шероховатости) течений, который на поворотах существенно отличается от плана осредненных по глубине течений.

Построение плана донных течений рекомендуется осуществлять на основе методики, разработанной И.Л.Розовским и учитывающей отклонение донных струй от осредненных по глубине течений.

На основе обработки лабораторных и натурных данных нами по -лучена зависимость для тангенса угла в следующем вине

где М, 6 - соответственно глубина и ширина потока; ? - радиус закругления струи предельного по глубине течения.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных для широкого диапазона изменения В- (до ~ - 250) приведены" на рис.

Принятие в системе (10) - (II) прямых поперечников вызвано предположением о малых поперечных скоростях, что может привести к значительным погрешностям, особенно в прилегающих к берегу зонах но участках со значительной кривизной, расширением 'или сужением потока .

Ii связи с этим в расчетах планов течения в узлах слияния и деления речных потоков представляется целесообразным перейти к криволинейным поперечникам кусочно-постоянной кривизны (рис. Ь). Для такой системы координат уравнения плановой задачи гидравлики ис -пользованы нами в виде, предложенном И.А.Шеренковым с корсектиро-вкой их по величине К, аналогично (9).

Лля преобразования этих уравнений к виду, удобному для реализации их решений на ЭВМ, нами введены новые координаты и £ , позволяющие свести криволинейную сетку с переменной шириной в полосу постоянной ширины между двумя поперечниками. При этом H = Йср ^ ■

В результате преобразований получено расчетное уравнение в

виде

у ai/ Э2иг п л ЭНст ^ $ -

1 - л ё - А, ы* A3U -A, Jf * £ W --о,

z u Al э? " Аз эГ + 3- эГ ^ (13)

це л [(аг.-аг)а,-(0г-а^а51/ , g„ д \ ;G л çu

=--------( ы ai

{.«*«/ oL '

А з - ^ - ^-,

a, Sm8*iGAi -RnplSmñnpiGi,p:) ;

sm^CDS^i,6,,

аз [ 4r Sln mG¿"^ tt¿ ^ ;

-- £ [ ^ Sm 8npc ¿DSSop^f t

+ 6nP¿ ; = ЭД* Stfíü,í6w -íií/n/iiffil;

c<e cosi^G, ; R4L = ; Я^ -- щ: ; R¿ = "él '

Уравнение (12) является параболическим уравнением второго порядка с переменными коэффициентами относительно неизвестной функции U¿ . которое решается при следующих граничных условиях:

при ¿=¿7 «(ОуМ-и,1Ц)-ЩО.Г1)=МЪ)\

ят í >0 uie,о) = ще,i) -о

и условий, что величины и являются параметрам

значения которых определяются из интегрального условия неразрыв -ности,

На рис. 4 приведено сравнение натурных и расчетных величин по участку р. Оби у п. Почта. Сопоставление результатов расчета, голученннх в результате расчета на ЭВМ по разработанному наш методу показывает их удовлетворительное соответствие измеренным величинам.

Оценку устойчивости отвалов грунта предлагается осуществ -.лять на основе расчета гранулометрического состава грунта в от-

протока С «Р

4

Б).

1000

то зооо

Тукав йсход вода, м/с Относительная ошибка расчета,%

расчетный измеренный

левый 664 686 3,20

правый 423 401 5,49

Рис.4. Сравнение натурных и расчетных величин на двухрукавном участке'р.Оби у п.Почта:а).скоростей течения,б).положения свободной поверхности, в).расходов воды.

вале при его регулировании в воду, В основе расчета грануломет -рическогс состава грунта в отвале положена методика расчета поля мутности и объема отложений при рефулировании грунта в воду, рассмотренная подробно в главе 5.

[|ри этом объем грунта i. - ой фракции, который выпадает в пределах проектируемого отвала грунта, определяется по формуле

Coítfoí ¿)o- CiVil& . J.

=----a*. (I4)

Здесь индексы oi и t соответствуют верхнему к нижнему по течению створам проектируемого отвала грунта; аЬ - время рефулирова-ния; и)0< =ЗВс1рТ - площадь струи в створе рефудирования; uX =QD83 &Т - площадь струи в расчетном створе ниже места рефу-лирования грунта; Coi > - концентрация примесей грунта.

Приведенные в диссертации результаты расчета гранулометрического состава грунта з отвале и их сравнение с ратурными данными позволяют рекомендовать ?ту методику для широкого использования в практику проектирования дноуглубительных работ.

В четвертой главе рассмотрены методы гидравлического обоснования выправительных сооружений.

Основной особенностью выправительных сооружений на малых реках являются, ввиду узости русел, их влияние на скоростную структуру потока по всей ширине реки.

При этом назначение выправительных сооружений имеет комплексный характер.

Выправительные сооружения на малых реках одновременно позволяют создать необходимый скоростной режим на перекате, предотвратить разрушение берегов от течения и судовых волн и компенсиро -вать возможное понижение уровней вода.

В связи с этим расчет плана течений на участках с выправи -тельными сооружениями на малых реках предлагается выполнять на основе решения плановой задачи гидравлики.

На рис. 5 приведена расчетная схема обтекания потоком незато-пленной одиночной полузапруды.

Линии COj и AOgB являются линиями нулевых продольных скоростей, на которых происходит поступление (участки COj и АО2) и от -ток воды (участки Oj-Д и О2В). Для расчета плана течений на основе обработки экспериментальных данных получены расчетные уравнения,

..' ...:.. .4- С -

Рис.3. Схема координат с криволинейными поперечникаяи.

Рис.5. Расчётная схема обтекания потоком одиночной полузапруда.

ОД 0.+ 0.6 0,8 1.0

а). А-Оо , б). С-О,

Рис.6. Эпюры скоростей в сечениях.

определяющие положение точек С, Ор Д, в плане:

--О.ойвн ; ^ = 0,63т; (15)

. = аб?т = азУт ; -агьт. ®

где ГР - степень стеснения потока; Т - глубина, остальные обозначения соответствуют рис. 5.

Распределение скоростей течения на участках СО^- и А02 предлагается определять по графику (рис. 6), на котором по горизонтали отложена безразмерная ширина участка слияния, а по вертикали - относительная скорость течения - ( Уг- скорость течения а головы полузапруды). На графике верхняя кривая соответствует отрезку А02, а нижняя - СОд-.

Расчетная схема для построения планов течения в районе систе-ш полузапруд представлена на рис. 7.

При расчете плана течений потока, обтекающего систему полузапруд, границей нулевых скоростей будут отрезки СОрЧ, 0А2В и ВО3С и т.д. Координаты точек С, Д определяются по уравнениям (13), а координаты точек 02, Од и т.д. - по зависимостям .

£>8=0,66.?; • ^ -о,8т (16)

Таким образом, уравнения (13) и (14) и графики начальных скоростей течения-ветви слияния водоворота (рис. 7) позволяют рассчитывать планы течений в районе как .одиночной полузапруды, так и системы полузапруд.

■При этом расчет выполняется по схеме слияния и целения потока.

Эффективным способом увеличения глубин на перекатах малых рек является обвалование берегов высокими продольными сооружениями. Продольные сооружения устанавливают для увеличения скоростей течения на перекате цп размывающих, полной или частичной ликвидации свальных течений, компенсации возможной посадки проектного уровня воды при разработке судоходных прорезей на перекатах, при спрямлении судового хода и замене плавучей обстановки более надежной береговой, располагаемой по гребню сооружения, а также для укрепления берега.

Следует отметить, что эффективное использование продольных-оградительных дамб обусловлено именно 'их Многоцелевым назначением. Гидрологические особенности малых рек, где, в первую очередь, используют продольные сооружения и особенно многорукавные участки, . определяют необходимость строительства сооружений большой цротя-' женности (более полутора ширин рек). В этом случае сооружения.работают в наиболее неблагоприятных гидравлических условиях и наиболее эффективны;- методом их защиты от разрушения является устройство шпор.

Методика их расчета по той же схеме, что и полузапруд, т.е. на основе решения плановой задачи гидравлики разработана Н.П.Жигалиным и дополнена нами для участка реки ниже головы сооружения (рис. 8, зона П). При этом получены следующие расчетные зависимости, описывающие водоворотную область

г,5 + 5-1оЪо-$}) f=ej?,; §--£>*; f --vs. (I7)

Приведенная расчетная схема базируется на важном результате, полученном нами при исследовании водоворотных областей за продольными сооружениями, - циркуляция жидкости в водовороте происходит не вокруг точечного центра вращения, а вокруг вихревой дорожки, соответствующей линии нулевых продольных скоростей течения и имеющей незначительную ширину.

Аналогичным образом можно выполнить гидравлическое обоснование планового положения продольных сооружений в ухвостьях остро -вов или узлах слияния рек - стрелок. В этом случае расчет поля скоростей производится по рабочей программе с использованием системы уравнений плановой задачи гидравлики.

Изучение работы стрелок производилось наш на моделях слия -ния каналов прямоугольного сечения.

На основе обработки полученных экспериментальных данных полу- -чен график = , d) (см. рис.5,).

Здесь tip, - расчетная скорость течения на перекате; ¡Гр&т - бытовая скорость; £ - длина стрелки; ot - угол между осью сооружения и бытовым положением линии раздела потоков. Этот график позволяет наметить плановое положение продольного сооружения - стрелки из условия обеспечения требуемых скоростей•течения на перекатах в узлах слияния речных потоков.

'/////////////■/У/'///////////////'///.'////'///////////',

......■ 1.....:............г

Рис.7. Расчётная схема обтекания системы полу запруд.

Рис.8. Расчётная схема к расчёту продольной сооружения.

« м «5 ш м о.5

Рис. 5. График зависимости

ь

Результаты сравнения расчетных и нахурных данных скоростей течения в районе выправительных сооружений приведены на рис.10 и II. -

В пятой глав е рассмотрена оценка влияния производства дноуглубительных и выправительных работ на экологические условия. рек. Общие требования и методика расчета поля мутности при рефулировании грунта в воду, основанная на решении плановой задачи гидравлики распространения твердых примесей в речном потоке,, вошла в состав нормативного документа "Временные указания по оценке повышения мутности при землечерпательных работах,.проводимых для обеспечения транзитного судоходства на реках и учету её влияния на качество воды и экологию гидройионтов". При этом методика • базируется на расчетных графиках, позволяющих определять плановые границы распространения поля мутности, превышающие предельно допустимые концентрации. .. .

Эти графики (рис. 12-16)•получены нами на основе обработки • расчетных данных, полученных лри расчетах по плановым уравнениям C.B.Афанасьева и В.И.Воробьева.

Концентрация твердых примесей в створе выброса определяется по зависимости

L° 3600 6TV . • (I8)

где Ку - коэффициент уноса грунта (определяется по рекомендациям В.В.Дегтярева); Qr - техническая производительность земле- . coca; К< - относительное содержание частиц разрабатываемого ■ грунта меньше-контролирующего диаметр£Г; JV - плотность грунта; 8=3 Bcïp . - ширина взмученного потока в створе рефулирования, равная трем ширинам сбросного устройства.

По величине Со и предельно допустимой концентрации ПДК = 0,25 мг/л с графика Lv-{(C) (рис. 12) устанавливаются их условные продольные координаты kwc и L>v,JK . Расстояние до дальней границы распространения поля мутности, превышающего ПДК вычисляется как

аЬ -

¿Wm,K - bw<¡

Кт К и К w (19)

В диссертации подробно рассмотрена методика расчета распро-

v, и/с.

1-1

О. м/с

2-2

v, м/с

3-3

Рис.10. Прохождение толкаемым-составом Н.ЛадеЯского переката

после устранения свального течения и сравнение натурных (-1

и расчетных скоростей течения I * >■ ) ® . © . ® - последовательное положение т/состава

1-1

2.-2

4-4

- натурные данные ----расчетные данные

Рис.II. Скорости течения на Мальковском перекате р.Туры

Рис.12. График зависимости-L^j(С) и Kw»j(w).

Рис.13. График зависимости К = •

Рис .14. График зависимости К=}(т).

странения поля мутности в плане при разных условиях. Поле мутности при этом не делано перекрывать рыбохозяйственные зоны. Решается и обратная задача - как по известному положению рыбохозяй -ственных зон подобрать землесос по производительности, при которой поле мутности не будет перекрывать рыбохозяйственные зоны.

'Для многочерпаковых земснарядов на основе натурных исследований получены экспериментальные зависимости, описывающие начальное состояние потока при опорожнении шаланд и позволяющие выполнять расчеты поля мутности по методике, разработанной для землесосов.

Начальная ширина зоны повышенной мутности

- 6и = Иг Ррш Зты. + Ц,3 СОЯоС . (20)

Предельный диаметр частиц грунта во взвешенном состоянии

хГ*

=°'01? йг?

(21)

Максимальная начальная весовая концентрация примесей в нижнем створе опорожнения шаланды

^

С/С

1.0

0,3

0,6 макс

•0,4

о,г

с -»(Ч

од

0.4

в/ь -

а« о.в

Рис.16. График-

С

"макс

В приведенных формулах обозначено: 1/iV - соответственно ско -рость течения и глубина потока; ico - время опорожнения шаланды; 6pa,épu¡ - соответственно длина- и ширина рабочего отверстия в днице шаланды; \M¡j - емкость грунта в .шаланде; cL$0 - диаметр частиц грунта 90^ обеспеченности; J>r - плотность грунта; i - осадка шаланда.

Приведенные зависимости могут быть рекомендованы для оценки повышения мутности при опорожнении шаланд только с гравелисто-га-лечным грунтом. При этом они отражают предельное расчетное состояние потока, соответствующее максимально создаваемой мутности при опорожнении шаланд.

Шестая глава посвящается итогам внедрения предложений автора в практику проектирования и производства путевых работ на малых реках. Приводятся иллюстрации выполненных работ по отдельным объектам и данные о технической и экономической эффективности. Отмечается и социальный эффект от выполненных научных иссле- • дований.

В заключении' приведены основные результаты выполненной диссертационной работы.

1. На основе обобщения опыта производства путевых работ на малых реках наш разработана методика оценки резервов увеличения габаритных размеров судового хода. При этом методика базируется на использовании коэффициента Х.М.Полина, которые приведен к безразмерному виду без изменения получаемых численных значений, что позволило применить полученные ранее связи этого коэффициента с габаритными размерами судового хода и русла. Другим важным дос -тоинством этого коэффициента устойчивости русла является его универсальность - его можно использовать как для однорукавных, так и для многорукавнчх участков рек. Полученная нами эмпирическая связь для предельного эксплуатационного равновесия русла позволила на её основе производить оценку возмоаного понияения уровней воды, связанное с увеличением габаритных размеров судового хода, и решить обратную задачу: по известной посадке проектного уровня, определяемой по местным условиям, находить предельно допустимые габаритные размеры судового хода.

2. Получен мэтод оценки эксплуатационных резервов увеличения пропускной способности малых рек на основе комплексного анализа полноты использования существующих габаритных размеров су-

дового хода и графиков дифференцированной гарантии глубин.

3.'По результатам исследований по повышению устойчивости судоходных прорезей на верхней Оби, Катуни, Абакане и Курейке, а также опытов на гидравлических моделях, даются рекомендации по плановому положению прорезей. При этом повышение устойчивости дноуглубительных прорезей достигается за счет создания различного рода наносо-регулирующих траншей и емкостей наносорегулирующих донных порогов и создания рельефа дна прорези, позволяющих продлить без/имитирующий судоходство период работы прорези.

4. За счет пересмотра структуры определения трения при решении плановой задачи гидравлики, базирующегося на работах И.А.Шеренкова, удалось получить метод расчета планов осреднении по глубине течений и построения кривых свободной поверхности воды с учетом поперечного изменения шероховатости русла,характерной для малых рек. Это позволило также повысить точность расчета положения свободной поверхности воды. Полученные результаты открывают возможность для разработки аналогичных методов для участков рек, на которых располагаются русловые карьеры нерудных строительных материалов.

5. Учитывая, что в узлах слияния рек, как правило, располагаются перекатные участки, специально для них разработан метод расчета планов осредненных по глубине течений на основе работ И.А.Шеренкова для систеш координат с поперечниками кусочно-постоянной кривизны, позволяющей более корректно использовать гипотезу Рейхар-дта-Коновалоьа для узлов слияния и деления, имеющих более одного преимущественного направления течения.

6. Выполнен анализ возможностей использования метода баланса наносов и оценки устойчивости судоходной трассы, отличающихся кривизной линий тока. В результате обработки экспериментальных данных установлено, что метод баланса наносов может быть использован для таких участков в границах донных струй, отличающийся от плана ос -редненных по глубине течений. Получена экспериментальная зависи -мость для угла отклонения донного течения от осредненного по глу -бине, учитывающая в отличие от аналогичных зависимостей других авторов один из определяющих параметров отношение ширины к глубине потбка, а также отношение ширины реки к радиусу поворота. Приведен алгоритм построения плана донных течений.

7. Предложена методика гидравлического обоснования выправи-тельных сооружений (систеш и одиночных полузапруд, продольных сооружений и сооружений в виде стрелок в узлах слияния рек и речных рукавов) с учетом их многоцелевого назначения: создание необходимых для устойчивости прорезей скоростей течений,, предотвращение понижения уровней воды, устойчивости берега и безопасных ус -ловий плавания судов. Задача решается на основе единого подхода к проектированию таких сооружений и обеспечения требований к полю скоростей и положению свободной поверхности за счет применения разработанных оперативных методов построения планов течений.

Полученные эмпирические связи позволяют получить координаты центров водоворотных областей и линий нулевых продольных скоростей, а также единичные эпюры распределения скоростей на началь -ном участке водоворота, что дает возможность .использовать решение плановой задачи гидравлики по схеме слияния-деления потоков для проектирования выправительных сооружений.

8. Вззработана методика оценки воздействия влияния дноуглубительных работ на экологические условия судоходных рек. При этом на основе решения плановой задачи распространения твердых примесей в речном потоке С.В.Афанасьева и В.И.Воробьева предложен гра-фо-аналитический способ расчета планового распространения поля дополнительной мутности при рефуяировании грунта в речной поток и укладки отвалов грунта при опорожнении шаланд. При этом построенные расчетные графики учитывают максимальные значения концентраций примесей и плановых границ зоны дополнительной мутности в речном потоке, отвечающие предельно допустимой .концентрации (ПДК).

9. Еа основе предложенной методики расчета границ зоны повышенной мутности создан алгоритм расчета гранулометрического состава грунта в отвалах, что позволяет производить оценку их устойчивости.

10. Все рекомендации, полученные в результате выполнения данной работы, прошли широкую практическую проверку в сибирских бассейнах. По полученным в работе рекомендациям выполнены проектные проработки по рекам Большой Пит, Курейка, Бельмо, Б.Енисей, Чузик, Катунь, Чулым, Васюган, Чижапка, Киренга, Жуя, Чара, Мая, Аган, Тромъеган, Колекъеган и других притоков бассейна реки Вах.

. Актуальность выполненных исследовании подтверждается утвержденными программами освоения малых рек Сибири и Саха-Якутии.

Большинство рекомендаций может быть использовано и при проектировании дноуглубительных и выправительных работ не только на малых, но и на магистральных реках.

•Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Сценка возможности увеличения габаритных размеров судового хода на малых реках. В кн.: Проблема водных ресурсов дальневосточного экономического региона. Владивосток.: 1988. - с.114-115.

2. Построение кривых свободной поверхности в проектном состоянии. В кн.: Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей. М.: Изд. ИБП, 1989. - с. 105.

3. СЦенка понижения проектного уровня воды при производстве дноуглубительных работ. // Вопросы гидравлического обоснования путевых работ на реках. / Сб.научн.тр.НИИВТ. '¡г Новосибирск.: 1989. - с. 57-59.

4. К оценке повышения устойчивости отвалов грунта при рефу -лировании грунта в воду. // Гидравлика русловых потоков. / Сб. научн.тр. НИИВТ. - Новосибирск.: 1991. - с. 4-17 (в соавторстве с С.А.Батаевой).

5. Проектирование методов улучшения судоходных условий в узлах слияния рек. Новосибирск.: Изд. НИИВТ, 1981. - 88 с. (в соавторстве -с О.И.Гордеевым, В.В.Дегтяревым и Ф.М.Чернышевым).

6. Опенка резервов увеличения глубины и ширины судового хода на свободных реках. /Сб.научн.тр. "Улучшение судоходных условий и технологии путевых работ на малых реках". 1987. - с.86-90 (в со -авторстве с О.И.Гордеевым),

7. К построению планов течений потока, обтекающего полузап -руды. //Улучшение судоходных условий на сибирских реках. / Сб. научн.тр.ШИВТ. - Новосибирск.: 1988. - с. 122-124 (в соавторстве с В.И.Зарубиным).

8. Методы улучшения судоходных условий в узлах слияния рек.

"Ночная гидравлика и судовождение". /Труда НИИВТа, вып. 139, Но -восибирск. : 1979. - с. 3-16 (е соавторстве с В.В.Дегтяревым).

9. Временные указания по оценке повышения мутности при зем -лечерпательных работах, проводимых для обеспечения транзитного судоходства на реках и учету её влияния на качество вода и экологию гидробионтов. - !,!.:Глазводпуть, 1985. - 59 с. (в соавторстве).

10. К определению поля скоростей и ускорений при движении судна с учетом свободной поверхности. //Ходкость к управляемость речных судов. /Сб.научн.тр.ШИВТ. - Новосибирск.: 1987. - 55-57 ( в соавторстве с С.Н.Коротковым).

11. Улучшение судоходных-условий в узлах слияния рек. //Передовой опыт и новая техника. Сб. вып. 6, I.!., изд-во ЦБНТИ МГФ РСФСР, 1983, с. 49-51 (в соавторстве с В.В.Дегтяревым) .,

12. Возможности увеличения судоходной глубины на Оби от истока до г. Барнаула. В кн.: Закономерности проявления эрозионных и руслоЕЫх процессов. ?,!.: изд-во МГУ, 1987. -с. 364-365 (в соавтор -стве с С.А.Батаево;'!, Т.И.Герус, О.И.Гордеевым и А.С.Губкиным).

13. Проектирование путевых работ с использованием ЭВМ. Учеб -ное пособие. Новосибирск.: 1990. - 122 с. (в соавторстве с А.'О.йу-ксм, В.А.Долгашевым, О.И.Гордеевым).

14. Методика оценки повышения мутности при работе многочерпа-ковых земснарядов. / Сб.научн.тр. НГАВТ. "Развитие внутренних водных путей Сибири и Саха-Якутии", Новосибирск.: 1994. - с.114-121.

15. Повышение устойчивости судоходных прорезей. /Сб.научн.тр. НГАВТ. "Развитие внутренних водных путей Сибири и Саха-Якутии", Новосибирск.: 1994. - с. I08-113.

16. Проектирование дноуглубительных и выправительных работ на малых реках. Новосибирск.: изд. НГАВТ, 1995. НГАВТ, 1995, - 86 с.