автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Расчетное обоснование сквозных свайных выправительных сооружений на судоходных реках

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ ОД

На правах рукописи

ЖИРНОВА Елена Александровна

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ В Ь1 ПРАВ ИТ ЕЛЬ НЫ X СООРУЖЕНИЙ НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ

Специальность 05.22.17-"Водные 1гути сообщения и гидрография"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саикт-Петербург-2000

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

ЖИРНОВЛ Елена Александровна

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ ВЫПРАВИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ

Специальность 05.22.17-"Водные пути сообщения и гидрография"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гладков Г Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Колосов М.А. кандидат технических наук. ст. научн. сотр. Иванов В. В.

Ведущая организация: ЗАО "Проектно-изыскательский институт Ленгипроречтранс".

Защита диссертации состоится " 9 " июня 2000 г. в // час. на заседании диссертационного совета Д 116.01.02 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, г. Санкт- Петербург, ул. Двинская 5/7, ауд.235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУВК.

Автореферат разослан " мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 116.01.02, кандидат технических наук, доцент

04<Ш -0Ц5-.<-0М,,с

М.В. Журавлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Транспорт - важнейшая составная часть экономической системы страны. История развития человечества доказывает, что государство, не имеющее эффективно работающей транспортной сети, не способно достичь высокого уровня экономического развития. Обязательным условием повышения эффективности транспортной системы является минимизация транспортных издержек при грузоперевозках. Этого можно достигнуть путем использования водного транспорта, т.к. себестоимость доставки грузов но воде значительно ниже, чем другими видами транспорта. Так, издержки при грузоперевозках водным транспортом в 14.3 раза меньше таковых, чем при использовании автомобильного транспорта и в 3.3 раза железнодорожного. Следует учитывать и то, что до настоящего времени многие районы Севера, Сибири и Дальнего Востока не имеют развитой автомобильной и железнодорожной сети сообщения.

Используемые для судоходства внутренние водные пути России в настоящее время имеют протяженность 93.8 тыс. км, причем более 70 % из них составляют реки, находящиеся в свободном состоянии. Для поддержания их в эксплуатационном состоянии и обеспечения безопасного судоходства необходимо ежегодно осуществлять комплекс путевых работ, важнейшими составляющими которого являются дноуглубление и выправление.

В условиях сокращения бюджетного финансирования путевых работ повсеместно произошло сокращение объемов землечерпательных и выпра-вительных работ, что привело к уменьшению габаритов судовых ходов и прекращению судоходства на отдельных участках в меженный период времени. Судоходные реки возвращаются в свое естественное состояние.

Одним из возможных путей решения этой проблемы является расширение практики выправительных работ, поскольку их воздействие на речной поток носит долговременный характер. Это позволит в течение определенного времени стабилизировать ситуацию на магистральных реках при относительно небольших затратах на содержание пути.

При проведении выправительных работ следует уделить внимание широкому внедрению на практике сквозных сооружений, наиболее индустриальными из которых являются свайные сооружения. Внедрение сооружений этого типа оправдано как с экономической точки зрения, так и с позиций минимального влияния на окружающую среду. Для их успешного применения необходима совершенная методика расчета, позволяющая надежно прогнозировать последствия воздействия на поток выправительных сооружений этого типа.

Целью настоящей диссертации является исследование работы в потоке одиночных сквозных свайных выправительных сооружений - запруд и полузапруд и разработка на этой основе методики их расчета. Это позволит расширить практику применения данного типа выправительных сооружений для обеспечения судоходных условий на внутренних водных путях.

Методика исследований. Решение поставленных вопросов в диссертационной работе было получено на основе проведения экспериментальных исследований но оценке взаимодействия потока и сквозных свайных выправительных сооружений.

Лабораторные исследования проводились в гидравлическом лотке прямоугольного сечения с жестким дном при следующих характеристиках потока: расход воды в лотке равен С?=13.3 л/с; в бытовом состоянии средняя глубина воды в лотке при установившемся режиме 11ф=10 см, продольный

уклон свободной поверхности 1=0.6 , число Фру да Р1~и=—р?==0.31,

/00 ^

усрИ

число Рейнольдса Яем --=14135 и средняя скорость течения воды в

V

лотке Уср=26.0 см/с.

Всего было выполнено 76 опытов, в 57 из которых исследовалось воздействие на поток сквозных свайных и глухих полузапруд, а в 19 - сквозных свайных и глухих запруд. В ходе экспериментов изучались одиночные зато-

пленные и незатопленные выправительные сооружения, расположенные нормально к направлению потока.

В качестве моделей сооружений использовались системы вертикально установленных в лотке стержней круглого сечешы диаметром с1=1.4 см с различной высотой и расстояниями между ними.

Моделирование исследуемых гидравлических явлений осуществлялось с соблюдением основных критериев подобия, что позволило не выходить за пределы автомодельной области.

Измерение осреднепных продольных скоростей течения производилось микровертушкой ГГИ. Фиксация отметок свободной поверхности воды и глубины потока выполнялась с помощью пьезомегра и уровенных марок. Донные струи потока подкрашивались, а 1гх положение фиксировалось с помощью фотоаппаратуры.

Научная новизна результатов работы.

1. Экспериментально исследована работа в потоке сквозных свайных выправительных сооружений с различной степенью стеснения, коэффициентом застройки и высотой.

2. Исследована кинематическая структура потока при обтекании им сквозных свайных выправительных сооружений - запруд и полузапруд.

3. Разработаны методики расчета сквозных свайных запруд и полузапруд мри различной степени их затопления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных выправительных сооружений.

2. Методика расчета параметров сквозных свайных полузапруд с учетом степени их затопления.

3. Приближенный метод определения параметров незатопленных сквозных свайных полузапруд.

4. Методика расчета параметров сквозных свайных запруд с учетом степени их затопления.

- б -

Практическое использование результатов.

Разработанные положения диссертационной работы и методы расчета предназначены для проектирования сквозных свайных выправитсльных сооружений на судоходных реках. Особое значение использование таких сооружений приобретает в современных условиях на водных объектах, подверженных к настоящему времени воздействию антропогенных факторов.

Результаты исследований автора диссертационной работы использовались при проведении проектных проработок, выполненных Проектно-изыскательским институтом Ленгипроречтранс при разработке рекомендаций по обеспечению судоходных условий в зоне влияния карьерных разработок на верхнем Чулыме и на реке Вятке в районе г. Кирова.

Апробация работ ы. Результаты диссертационного исследования были представлены и докладывались автором на конференциях профессорско-преподавательского состава и научно-методических конференциях, проводимых в СПГУВКе (С.- Петербург, 1998,-99); на тринадцатом пленарном межвузовском совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Псков, 1998).

Результаты диссертационного исследования автора используются в учебном процессе при подготовке студентов на гидротехническом факультете СПГУВК по специальностям 290400 "Гидротехническое строительство" и 320600 - "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".

Публикации. Основные результаты исследований и содержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных работах автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации 135 страниц, в том числе: 83 страницы машинописного текста, 31 рисунок, 8 таблиц; список литературы включает 78 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит анализ возможностей использования сквозных выправительных сооружений на судоходных реках. Дано описание сквозных выправительных сооружений, приводятся преимущества этих сооружений по сравнению с другими. Составлен обзор основных достижений в области экспериментальных и теоретических исследований работы в потоке сооружений данного типа, выявлены недостатки в ходе их изучения.

Говоря об уровне практического внедрения сквозных свайных сооружений (далее — ССО) следует признать, что широкого применения они, к сожалению, до сих пор не получили несмотря на ряд очевидных преимуществ, к числу которых можно отнести:

- технологическая освоенность процесса возведения свайных сооружений, что позволяет избежать дополнительных затрат времени и средств на освоение новой технологии;

- возможность использования в качестве свай предлагаемых промышленностью типовых изделий (железобетонных свай, некондиционного леса, металлического шпунта, стальных труб и др.);

- сокращение сроков возведения свайных сооружений за счет меньших объемов строительных работ-и возможности комплексной механизации процесса их возведения;

- возможность частичной замены поврежденных в процессе эксплуатации элементов сооружения;

- более мягкое по сравнению с глухими конструкциями воздействие свайных сооружений на русловой режим реки в процессе их строительства и эксплуатации и др.

В результате получается значительное снижение затрат на строительство и эксплуатацию ССС.

ССС имеют ряд недостатков, основным из которых является подверженность разрушающему воздействию ледохода. Поэтому такие

- ь -

сооружения должны проектироваться и возводиться с учетом данного фактора. Свайное сооружение, как и любое другое, требует внимательного рассмотрения всего комплекса условий в которых планируется его строительство.

Рассматривая уровень экспериментально-теоретической проработки этой проблемы, отметим, что начиная с 40-х годов нашего столетия многие отечественные и зарубежные авторы проводили экспериментальные и теоретические исследования в этой области. Существующие методики расчета выправительных сооружений различного типа, их конструкции и способы возведения, а также принципы их моделирования в лабораторных условиях являются результатом работы целого ряда авторов: Алтунина С.Т., Амбар-цумяна Г.А.. Бакиева М.Р., Башкирова Г.С., Гилярова II.П., Гришанина К.В., Дегтярева В.В., Долгашева В.А., Коновалова И.М., Леви И.И., Лосиев-ского А.И., Орлова И.Я., Селезнева В.М., Терехова И.Б., Уркинбаева Р., Чекренева А.И., Шамовой В.В. и др.

Несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования работы в потоке ССС, отдельные вопросы оказались малоизученными, или вообще не рассматривались. До настоящего времени не было проведено обобщения полученных результатов, что является основным препятствием на пути широкого внедрения ССС в практику выправительных работ. Следует отметить также, что ввиду сложности гидравлических процессов, сопровождающих работу сквозного выправителыюго сооружения, большинство авторов шло по пути экспериментальных исследований. Теоретические модели создавались весьма осторожно и с большим числом допущений различной степени важности. Недостаточно опубликованных данных по натурным наблюдениям за сквозными сооружениями, которые необходимы для анализа достоверности методик их расчета и совершенствования способов экспериментальных исследований.

Особо следует отметить, что авторами недостаточно внимания уделялось изучению работы в потоке затопленных сквозных сооружений. До на-

- у -

стоящего времени не проводилось исследований работы в потоке затопленных сквозных запруд и, соответственно, отсутствует методика их расчета с учетом степени затопления. Большинство существующих в настоящее время методик и формул для расчета сквозных свайных полузапруд, глубин размыва, перераспределения скоростей течения и расхода воды по ширине потока в районе их установки, также не учитывают степень их затопления. Единственная существующая методика расчета с учетом степени затопления сквозных полузапруд дает завышенные результаты, громоздка и неудобна для вычислений.

С учетом вышеизложенного были намечены цели и задачи дальнейших исследований в области изучения работы сквозных свайных выправи-тельных сооружений.

Во второй главе приводятся основные результаты экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных полузапруд.

В ходе экспериментов рассматривался следующий круг вопросов:

- исследование кинематической структуры потока при обтекании им сквозных свайных сооружений;

- оценка влияния сквозных свайных сооружений на поле скоростей потока и перераспределение расходов воды по живому сечению водотока;

- исследование влияния сквозных свайных сооружений на рельеф свободной поверхности воды;

- выявление связи между параметрами сквозных свайных сооружений и гидравлическими характеристиками потока.

В работе исследовались две группы сооружений:

- сквозные свайные полузапруды высотой Ис=3, 6, 9 и 12 см с коэффициентами застройки р=с1/((1+5) (с! - диаметр свай, з - расстояние в свету между ними) соответственно 0.25, 0.37, 0.46 и 0.67; степенями стеснения потока пт1с/В 0.25, 0.50 и 0.75 (1с - длина сооружения, В - цщрина лотка);

- 1и -

- глухие непроницаемые полузапруды с коэффициентом застройки р=1.0 высотой Ьс=3, 6 и 9 см и степенями стеснения потока т= 0.25, 0.50 и 0.75.

Работающие в потоке сквозные свайные полузапруды, в отличие от непроницаемых сооружений, формируют иные картины поля скоростей, рельефа свободной поверхности воды и перераспределение расходов воды по ширине потока. Их воздействие на поток можно охарактеризовать как более мягкое, чем воздействие глухих сооружений. Это происходит из-за различия их конструкций, поскольку сквозные свайные сооружения являются частично проницаемыми для потока жидкости и транспорта наносов.

Сквозные и сплошные полузапруды формируют различные схемы обтекания их потоком - в зоне установки сквозных свайных полузапруд отсутствуют верховая и низовая водоворотные зоны. При р<0.25 элементы сквозного сооружения работают как отдельно стоящие сваи, а с увеличением параметра р сооружение по характеру воздействия на поток приближается к непроницаемым сооружениям.

При наличии в потоке свайных полузапруд рабочую зону по .длине лотка можно разделить иа три основных участка: подходной, где изменялись только отметки свободной поверхности, а скорости были практически равны бытовым; участок перераспределения, в конце которого наблюдалось максимальное перераспределение скоростей, расходов и отметок свободной поверхности воды по ширине лотка; участок восстановления, где претерпевший изменения поток постепенно восстанавливался до своего бытового состояния (рис. 1).

Измерение скоростей течения в зоне влияния сооружения показывает, что на подходном участке скорости течения практически равны бытовым, а отметки свободной поверхности воды повышаются. По мере приближения к створу полузапруды в застроенной части лотка скорости течения уменьшаются, повышая отметки свободной поверхности воды, а в свободной от сооружения части лотка наоборот - скорости увеличиваются, отметки

- и -

а)

ЧО

о

1

щ

■Л.

р

г

и

¿-л Й

р

РЗ

I

и

Щ 13

II,

ь

р =

ё + з

т

1С

В

б)

• • • • • • в 1, £ «О §

-

60 см 5 440см

УВБ

_'У_

УНБ

<т

Рис. 1. а)- схема к определению коэффициента застройки сооружения р и степени стеснения потока ш; б)- схема рабочей зоны лотка

- и -

свободной поверхности понижаются и, как следствие, растет поперечный перепад отметок между застроенной и незастроенной частями лотка.

Говоря о распределении скоростей по глубине потока, можно отметить, что максимальная их неравномерность наблюдается в непосредственной близости ог сооружения. В створе свайной полузапруды в свободной от сооружения части лотка происходит увеличение скоростей течения по всей глубине потока, причем характер их распределения зависит главным образом от высоты сооружения. Донные скорости в створе сооружения увеличиваются с ростом параметров сооружения, причем у головы полузапруды они всегда больше, чем у ее корня. Разница между ними возрастает с увеличением значений т, р и Ис.

Представляет интерес исследование картины обтекания сквозных свайных полузанруд донными струями, которая показана на рис. 2. Анализ фотоматериалов, фиксирующих траектории движения донных струй при разных условиях моделирования, показывает, что при малых т, р и Ьс положение донных струй практически не отличается от бытового состояния -они двигаются параллельно оси потока. Увеличение высоты сооружения и степени стеснения потока при р=0.25 и 0.37 не дают значительной перестройки траекторий донных струй, отклоняться начинают лишь струи, находящиеся в районе головы полузапруды. Заметное отклонение донных струй в сторону незастроенной части лотка начинается лишь с р- 0.46, но даже при р--0.67 сооружение остается проницаемым для донных струй, часть которых в прикорневой зоне проходит между сваями в нижний бьеф.

Главной задачей исследования работы в потоке свайных полузапруд являлось выяснение характера перераспределения расхода воды по ширине потока, что послужило основой для создания расчетного обоснования. Выполненные измерения показывают, что при р<0.8 перераспределение расхода воды по ширине лотка во всех случаях имеет линейный характер, а при р>0.8 нелинейный. Увеличение высоты сооружения приводит к возрастанию доли расхода воды, проходящей между сваями и в свободной от полу-

Г6>

—^ т \\ \\ ж

\\ \

\

к

\ \ \ \ \ X \ \

\\

г \ \\

. . . ...

; тт

\ 1 \\ \ \1

\ •

— \ \

р=0.37 р=0.46

р=0.67 р=1.0

=0.9

Ь

т=0.75

ш=0.50

ш=0.25

Рис. 2. Схема обтекания донными струями сквозной свайной полузапруды

запруды части лотка, уменьшается доля расхода воды, переливающейся через гребень сооружения. С увеличением степени стеснения т доля расхода воды, переливающегося через гребень сооружения, растет. Кроме того, чем больше коэффициент застройки р, тем больше доля расхода воды, переливающаяся через его гребень и тем больше работа свайных полузапруд приближается к работе непроницаемых сооружений.

В третьей главе приводятся основные результаты экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных запруд.

В диссертационной работе исследовались две группы сооружений:

- сквозные свайные запруды высотой Ьс :3, 6, 9 и 12 см с коэффициентами застройки р=0.25,0.37, 0.46, 0.67;

- непроницаемые запруды высотой Ьс -3, 6 и 9 см с коэффициентом застройки р 71.0.

Для оценки характера распределения скоростей течения по глубине потока использовалось отношение Утах ¡\тю , где \'т.1Х - максимальная величина скорости на вертикали, v га;„ - то же ее минимальное значение. В бытовом режиме это отношение не превышало 1.2. В верхнем бьефе на всем протяжении подходного участка и на всех створах вплоть до расположенного на расстоянии 2Ъ от напорной грани сооружения, скорости течения при наличии в потоке свайных запруд практически не отличались от своих бытовых значений и распределялись по глубине потока равномерно - отношение Утах /ут!п не превышало 1.3.

Значения донных скоростей течения во всех случаях огмечапись ниже бытовых. Действительно, какой бы ни была высота запруды придонные слои потока всегда встречают на своем пути ее сопротивление, тогда как поведение поверхностных слоев зависит от высоты сооружения. Начиная с расстояния 1Ь от створа запруды и по мере приближения к нему, намечающиеся ранее тенденции уменьшения донных скоростей с ростом р и их увеличения по мере увеличения высоты запруд Ьс, здесь уже носят более определенный характер.

Говоря о распределении скоростей течения по глубине потока, отметим, что по мере приближения к створу свайной запруды заметно возрастает отношениеутах/утт , достигая максимальных значений при Ьс=6 см. С дальнейшим увеличением высоты сооружения максимальные скорости смещаются от поверхности ко дну. Следует отметить, что непосредстветю у непроницаемого сооружения скорости течения по глубине потока распределяются все более неравномерно - отношение \;тах /у!11т достигает значений 2.5 — 4.3. Донные скорости меньше поверхностных в 2 — 3 раза.

Характер изменения поверхностных скоростей зависит от высоты сооружения. При малых и средних 1тс происходит увеличение поверхностных скоростей непосредственно перед сооружением, а при больших Ьс их уменьшение. Изменение р, не нарушая характера поведения поверхностных скоростей, влияет только на величину их повышения или понижения.

В створе сооружения в сжатых сечениях между сваями для всех случаев р наблюдалось повышение скоростей по всей глубине потока по сравнению с вышележащими створами. Происходит выравнивание эпюры скоростей (рис. 3) С ростом р и Ьс средняя скорость течения в створе запруды увеличивается. Сравнивая значения донных и средних скоростей можно отметить, что при малых р донные скорости меньше средних по вертикали. С увеличением р донные скорости течения в створе сооружения увеличиваются и становятся равными средним скоростям, а затем, при р>0.4 - превышают их. Особенно это явление заметно при больших высотах сооружения.

Ниже сооружения наблюдается резко выраженный неравномерный характер распределения скоростей течения по глубине потока. При этом смещение зоны максимальных скоростей либо к поверхности, либо ко дну лотка зависит от высоты сооружения Ис. Для незатопленных запруд максимальные скорости формируются в районе глубин 0.6-^0.811, а для всех остальных затопленных сооружений максимальные скорости располагаются ближе к поверхности воды - в районе 0.2-н 0.31т В районе сопряжения бьефов при р=1.0 регистрировались скорости, превышавшие бытовые в 2тЗ

О

О

о

•В-

ю о

чг к о

и

■о Е

XI ро о

а ^

о

О и ?! 5 О Я ся о ы Я о

К!

о ея

о

и

X) V

в-

№ о

5 ^

о ж о ■а о

о

2ч'

Н О Л о М

О!

я

X с»

Я

3 6 я (в

и>

1 о

г» • -Н»

О ¡О

"С)

II

о 42» о\

створ сооружения

Л

//

ТЗ

II

о

.л»"'

ТГ

\

\

\ *

1

о

й

тгг

створ сооружения

створ сооружения

_____

раза; пшоры распределения скоростей течения по глубине потока в случае р=1.0 имеют резко выраженный неравномерный характер - утах / \'тт = 4-5-5.

Главной задачей исследования работы в потоке свайных запруд было выявление связи между параметрами сооружения и перепадом уровней воды между бьефами. Наличие запруды в потоке во всех случаях вызывало общее повышение отметок свободной поверхности воды в верхнем бьефе и понижение в нижнем. Величина перепада уровней зависит от параметров сооружения р и Н( . С увеличением коэффициента застройки р при любой фиксированной высоте сооружения в верхнем бьефе наблюдалось повышение уровня воды. Величина понижения отметок свободной поверхности воды в нижнем бьефе была различной и зависела от параметров сооружения р и 1"1и . Минимальное понижение уровня воды по отношению к бытовому было зафиксировано при р=0.25 и 1тс=3 см, с дальнейшим увеличением коэффициента застройки р понижение отметок свободной поверхности воды в нижнем бьефе прогрессировало. Зона их максимального понижения располагалась при всех р и И, на расстоянии 0.51т вниз от створа сооружения, далее они постепенно повышались вплоть до бытовых значений.

Данные измерений позволили выявить характерные закономерности в перераспределении расходов в створе сооружения в зависимости от изменения параметров сооружения 11 с и р. Выяснилось, что с увеличением р через запруду переливается все больший расход воды, а с ростом ее высоты Г)пер уменьшается. Расходы воды, проходящие через тело сооружения с увеличением р уменьшаются.

Таким образом, различие в работе глухих (р=1.0) и сквозных свайных (р<1.0) запруд обусловлено частичной проницаемостью последних для потока жидкости и транспорта наносов. С постепенным увеличением коэффициента застройки р сквозные запруды приближаются по воздействию на поток к глухим сооружениям. Сквозная запруда формирует более благоприят-

- ic -

ный режим донных скоростей, позволяющий свести длину крепления дна в нижнем бьефе к минимуму. В зависимости от р и hc, она способна создать подпор уровней воды в верхнем бьефе от минимального до значительного, одновременно пропуская между сваями расход наносов.

Четвертая глава посвящена разработке расчетного обоснования параметров сквозных свайных сооружений.

На основе экспериментальных данных была получена формула для определения коэффициента КС1), имеющая вид:

Ксв =1.0 + р-2.45\ (1)

1П 13.3(1-ш) „

где а = 1 .U----Р " коэФФ,1П-иент застройки свайного ряда, m - степень сгеснения по тока сооружением, hc/h-степень затопления сооружения.

Формула (1) позволяет установить все размеры полузапруды, обеспечивающие требуемое значение Ксв. По ней можно получить надежные результаты при условии, если переменные р и m не выходят за пределы следующих диапазонов:

- коэффициент застройки сооружения не должен превышать 0.8;

- степень стеснения потока не должна превышать 0.6.

При т>0.6 формула дает несколько завышенные результаты, а использование в расчетах р, превышающих обозначенные рамки, приведет к получению значительно заниженных значений Ксв. Это объясняется тем, что в зависимости (1) заложен закон линейного изменения оттесняемого в незастроенную часть лотка расхода воды в диапазоне р от 0 до 0.8, каковым он и является. Эти ограничения нельзя отнести к существенным недостаткам, т.к. данная область отвечает условиям реального проектирования полузапруд па реках.

По формуле (1) была составлена номограмма для определения возможной области применения сквозных свайных полузапруд. Имея значения Ков и ni, можно проверить имеется ли возможность использовать в данном

- 1У

случае свайное сооружение. При этом, требуемое значение Ксв можно получить множеством комбинаций т, р и Ис, однако входящие в них параметры обязательно должны быть больше своего минимально допустимого значения. Номограмма позволяет определить такие минимальные значения всех параметров.

Разработана методика расчета параметров одиночной сквозной свайной полузапруды с учетом степени затопления. Расчет основных параметров полузапруд ведут в следующем порядке:

1. Устанавливается расчетный уровень Нр и соответствующий ему

руслоформируюший расход воды ;

2. Составляется схема расположения полузапруд на плане затруднительного участка реки; вычерчивается поперечное сечение в створе каждой полузапруды до расчетного уровня воды.

3. Исходя из условия пропуска ледохода определяется отметка гребня сооружения, что позволяет определить отношение Ьс/Ь характеризующее ею степень затопления и высоту.

4. Определяется коэффициент стеснения русла полузапрудой т по выражению:

где о)п - часть площади поперечного сечения, перекрываемая полузапрудой, ат - полная площадь поперечного сечения при уровне воды вровень с гребнем сооружения.

5. Для определения расхода рсвб., проходящего через незастроенную часть русла, в бытовом состоянии строится интегральная кривая распределения расхода воды при расчетном уровне.

6. Определяется расход воды Рев, необходимый для обеспечения размыва дна в пределах судового хода по формуле:

со

п

(2)

ш =

рев — Юсв • Ур ,

(3)

- -¿о -

где ур - неооходимая для размыва дна расчетная скорость в незастроенной части потока, определяемая по рекомендациям Селезнева В.М.

7. Вычисляется основной показатель работы полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла Ксв по формуле:

Ксв=-^- (4)

Освб

8. Зная ш и Ксп, по номограмме, выясняется возможность применения в данных условиях сквозной свайной полузапруды. Если ее применение невозможно, то рассматривается вариант возведения непроницаемого сооружения.

9. Имея все необходимые данные, определяется коэффициент застройки р свайной полузапруды по формуле (1).

Наряду с вышеописанным способом расчета параметров сквозных свайных полузапруд, в работе предложен приближенный метод, основанный на использовании номограммы.

В результате экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных запруд получено выражение, связывающее все его параметры:

ТГ-™^-

где С, - коэффициент сопротивления свайного сооружения.

В обеих частях полученной расчетной зависимости находятся безразмерные величины. Область применения данной зависимости находится в пределах от р>0.25 и С>0.2.

Разработана методика расчета сквозных свайных запруд с учетом степени затопления, целью которой является определение коэффициента застройки сооружения р. Расчет проводят в следующей последовательности:

1. Определяется расчетный уровень и соответствующий ему расход

воды.

2. Участок двухрукавного разветвления русла разбивается иа расчетные участки с условием, чтобы площади живых сечений в пределах каждого из них изменялись монотонно.

3. Вычерчиваются поперечные профили русла во всех граничных сечениях до расчетного уровня и подсчитываются гидравлические элементы потока: площадь (О, ширина по зеркалу воды В, средняя глубина h, модуль расхода К и модуль сопротивления русла F.

4. Подсчитывают бытовое распределение расхода воды по рукавам Qc o И Qitc 5. ■

5. На каждом расчетном участке в судоходном и несудоходном рукавах подсчитывают падение уровня AZ;.

6. Определяют проектный расход в судоходном рукаве Q0 п .

7. Производя сравнение бытового и проектного расходов воды в судоходном рукаве, устанавливается запруда каког о действия нужна (меженного или весеннего) и нужна ли вообще.

8. При проектном распределении расходов воды по рукавам по способу Павловского H.H. графически находят падения уровня на расчетных участках AZj, отметки верхнего Zb6 и нижнего ZuG бьефов и величину перепада воды на запруде AZ,. Строят кривые свободной поверхности воды в рукавах при бытовом и проектном расходах воды.

9. Из условия пропуска весеннего ледохода задаются отметкой гребня запруды Zr и вычерчивают поперечное сечение в ее створе. Далее вычисляются площадь поперечного сечения вровень с отметкой гребня запруды (ат и отметкой верхнего бьефа 0)в б . Разделив эти площади на соответствующие им значения ширины русла, определяют среднюю высоту запруды h0, среднюю глубину воды в верхнем бьефе h и степень ее затопления hc/h.

10. Вычисляется коэффициент сопротивления сооружения С, по формуле:

- га -

v2

дг=-с—, (6)

2Е

где V - средняя скорость течения на подходе, м/с.

11. Подставив в формулу (5) известные А23 и ц, определяется коэффициент застройки сквозной свайной запруды р:

р = 1.65-^ (7)

\ К/Ь

В том случае, если сквозная свайная запруда не сможет обеспечить требуемое перераспределение расхода воды по рукавам, необходимо рассмотреть возможность возведения сплошной, либо двух и более сквозных запруд. Выбор окончательного варианта должен определяться технико-экономическим расчетом.

Пользуясь формулой (б), можно решать и обратную задачу, т.е. задавшись коэффициентом застройки сооружения р находить отметку гребня запруды. Для этого нужно сначала построить график зависимости

V

. После этого, определив Ьс/Ь и зная И, по этому графику

Вг.

модно найти требуемую отметку гребня запруды Zr, соответствующую рассчитанной высоте сооружения Ьс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной диссертантом работы, заключаются в следующем:

1. Обзор работ, посвященных теме диссертации, показал, что данная проблема представляла интерес для специалистов в течение длительного времени. Полученные на ранних этапах исследований результаты представляют собой разрозненные сведения и не соединены в единую методику расчета.

2. Большинство ранее выполненных работ было посвящено изучению незатопленных сооружений, что делает невозможным прогнозирование воздействия на поток затопленного сооружения. Работа в потоке затопленных сквозных сооружений исследована недостаточно и требует проведения дополнительных усилий.

3. В ходе выполненных экспериментов исследовалась зависимость основных гидравлических характеристик потока от параметров сквозного сооружения. Установлено, что сквозное свайное сооружение способно оказывать на поток воздействие различной степени. Степень воздействия определяется совокупностью всех параметров сооружения.

4. Изучение перераспределения расхода воды по ширине русла показало, что сквозные свайные полузапруды могут выполнять при определенных значениях основных параметров водостеснительную функцию. С увеличением т, р и 1г с степень перераспределения расхода возрастает. Предложено расчетное обоснование параметров сквозной свайной полузапруды.

5. Исследования работы в потоке сквозных свайных запруд показали, что в зависимости от коэффициента застройки и высоты сооружения они оказывают различное сопротивление потоку и, следовательно, вызывают различный перепад уровней воды. Чем больше параметры сооружения р и Не, тем большее воздействие оказывает сквозная свайная запруда на поток. В работе предлагается методика расчета параметров сквозной свайной запруды.

6. В районе установки сооружения поток теряет часть своей кинетической энергии, что будет способствовать отложению влекомых и крупных фракций взвешенных наносов выше сооружения. При определенных условиях часть русловых наносов будет проходить транзитом через створ сооружения.

7. Свайные сооружения по сравнению с другими типами выправи-тельных сооружений в большей мере отвечают требованиям охраны окружающей среды. При их возведении не возникает дополнительной мут-

-'¿А -

ности в процессе строительства; они не препятствуют водообмену и транспорту наносов между бьефами и в случае необходимости легко поддаются демонтажу. Возможно применение их в качестве защитных сооружений в районах карьерных разработок, а также для восстановления характеристик руслового режима на реках, подверженных к настоящему времени влиянию антропогенных факторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Гидрологический и русловой режимы р. Чулым в районе г. Ачинска У Тез. докл. Научно-методическая конференция-98. Часть 2. -' СПб.: СПГУВК, 1998.-С. 156.

2. Экспериментальные исследования работы в потоке сквозных вы-иравительных сооружений /У Тез. докл. Научно-методическая конференция-98. Часть 2. - СПб.: СПГУВК, 1998. - С. 157.

3. Исследование влияния добычи НСМ из русла р. Чулым на гидравлический режим реки и русловые процессы // Водные пути и гидротехнические сооружения. Сб. трудов СПГУВК, 1999. - С. 108-120. (в соавторстве).

4. Экспериментальные исследования работы в потоке свайных залруд /' Тез. докл. Научно-методическая конференция, посвященная 190-летию транспортного образования. Часть 1. - СПб.: СПГУВК, 1999. - С. 56-57.

5. Исследование работы в потоке свайных запруд и полузапруд // Тез. докл. Тринадцатое пленарное межвузовское совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. - Псков: Изд-во Псковского пед. института, 1998. - С. 91-92.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СКВОЗНЫЕ СВАЙНЫЕ ВЫПРАВИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ.

1.1. Обзор современного состояния проблемы.

1.2. Методика расчета одиночных незатопленных проницаемых полузапруд ЛИИВ Та.

1.3. Методика расчета свайных выправительных сооружений НИИВТа.

1.4. Расчет элементов незатопленных сквозных выправительных сооружений.

1.5. Расчет элементов затопленных сквозных выправительных сооружений.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ В

ПОТОКЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ ПОЛУЗАПРУД.

2.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

2.2. Методика проведения экспериментов.

2.3. Моделирование сквозных свайных выправительных сооружений.

2.4. Исследование кинематической структуры потока в зоне влияния полузапруд.

2.5. Рельеф свободной поверхности воды в районе сооружения.

2.6. Перераспределение расхода воды в створе сооружения.

2.7. Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ В

ПОТОКЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ ЗАПРУД.

3.1. Скоростной режим потока в районе сооружения.

3.2. Отметки свободной поверхности воды в районе сооружения.

3.3. Перераспределение расхода воды в створе сооружения.

3.4. Выводы.

Глава 4. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ

ВЫПРАВИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

4.1. Зависимость перераспределения расхода воды по ширине потока от параметров сквозной свайной полузапруды.

4.2. Сравнение формул для вычисления перераспределения расхода воды в створе сквозной свайной полузапруды.

4.3. Методы определения параметров сквозной свайной полузапруды.

4.4. Методика расчета параметров сквозной свайной запруды.

4.5. Примеры расчета сквозных свайных сооружений.

Актуальность проблемы. Транспорт - важнейшая составная часть любой экономической системы. Одним из путей повышения ее эффективности является сокращение транспортных издержек при грузоперевозках. Этого можно достигнуть широким использованием водного транспорта, поскольку себестоимость доставки грузов по воде значительно ниже, чем другими видами транспорта. Так, издержки при грузоперевозках водным транспортом в 14.3 раза меньше, чем при использовании автомобильного транспорта и в 3.3 раза железнодорожного [20]. Следует учитывать и то, что до настоящего времени многие районы Севера, Сибири и Дальнего Востока не имеют развитой автомобильной и железнодорожной сети сообщения.

Протяженность используемых для судоходства внутренних водных путей России в настоящее время составляет 93.8 тыс. км. Для различного вида грузоперевозок, осуществляемых водным транспортом, используются в основном реки, находящиеся в свободном состоянии (они составляют примерно 70 % от протяженности всех водных путей в стране). Для поддержания их в эксплуатационном состоянии и обеспечения безопасного судоходства необходимо ежегодно осуществлять комплекс путевых работ, основными составляющими которого являются дноуглубление и выправление.

Внутренние водные пути России являются федеральной собственностью и содержатся за счет ассигнований из госбюджета. В условиях сокращения финансирования путевых работ во многих районах водных путей регулярных землечерпательных работ не производится, они носят единовременный характер. Сокращение объемов землечерпательных работ приводит к уменьшению габаритов судовых ходов (прежде всего, глубины и ширины) и снижению безопасности судоходства. Оно осуществляется только в периоды стояния высоких уровней воды (на спаде паводка).

В меженный период на протяжении ряда последних лет судоходство полностью прекращалось на реках Б.С.Двине, Печоре, Алдане, Вилюе, Витиме и др. На 25 % от всей протяженности внутренних водных путей прекращалось ночное судоходство. Все это создает предпосылки к возврату русел рек в естественное состояние.

Эти тенденции хорошо прослеживаются на примере плеса устье Вычегды- Рочегда реки Б.С.Двина. Так, начиная с конца 80-х годов на нем стали заметно падать объемы извлекаемого грунта: если в 1988-89 гг за навигацию общий объем транзитного дноуглубления составлял более 6000 тыс. м , то в 1995 г - менее 900 тыс. м3, а в 1996-97 гг дноуглубительные работы не проводились совсем. Это постепенно привело к уменьшению габаритов пути на плесе и повышению отметки проектного уровня над "0" графика гидрологического поста "Абрамково" [41].

В 1988 г гарантированная глубина на этом участке составляла 170 см, гарантированная ширина 100 м, отметка проектного уровня была +60 см. В 1993 г эти показатели составили соответственно 140 см, 60 м и +70 см, а в 1998 г уже 120 см, 60 м и +80 см. В межень фактические габариты пути уменьшились: глубина до 50 см, ширина судового хода до 15 м. Все эти цифры говорят о том, что уменьшение, а затем и полное прекращение транзитного землечерпания сделали русло реки Б.Сев. Двина на плесе устье Вычегды - Рочегда практически непригодным для судоходства. Оно постепенно возвращается в свое бытовое состояние.

Эта проблема требует своего решения. Одним из рациональных путей ее разрешения является выдвижение на первый план выправительных работ, поскольку их воздействие на речной поток носит долговременный характер. Это позволит в течение определенного времени стабилизировать ситуацию на магистральных реках при относительно небольших затратах на содержание пути. Единовременные капиталовложения в итоге оказываются значительно меньшими по сравнению с достаточно дорогим ежегодным землечерпанием.

Кроме того, ввиду сокращения дноуглубительных работ на перекатах, будет ощущаться нехватка более дешевого строительного материала, извлеченного из прорезей. На строительство массивных непроницаемых сооружений грунт нужно будет доставлять из наземных карьеров НСМ, что значительно удорожает возведение выправительных сооружений. Полузапруды и запруды из каменной наброски -дорогостоящие сооружения, а на некоторых реках (например, Б.Сев.Двина) поблизости нет каменных карьеров и камень пришлось бы доставлять из отдаленных мест транспортом, что еще больше увеличит затраты на строительство.

Принимая в расчет эти соображения, следует отметить, что предпочтительным в сложившейся ситуации является строительство сквозных выправительных сооружений, из множества типов которых свайные сооружения наиболее оправданы со многих точек зрения.

Значительная часть русел равнинных рек нашей страны сложена несвязными легкоподвижными грунтами, строительство на которых сквозных свайных сооружений дает максимальный эффект. В качестве выправительных и берегозащитных сооружений в бывшем СССР и за рубежом сооружения данного типа использовались уже давно. Их дешевизна, возможность применения при строительстве в качестве свай местных промышленных изделий (трубы, лес и др.), а также комплексной механизации и, как следствие, сокращение сроков строительства, делают актуальным вопрос теоретических и экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных сооружений.

Большинство существующих методик расчета сквозных сооружений освещают их работу в потоке в незатопленном состоянии, в то время как значительную часть навигационного периода они затоплены. Кроме того, многие из них громоздки и неудобны для вычислений, что не позволяет быстро и эффективно находить искомые параметры сквозного сооружения: его высоту, степень стеснения и коэффициент застройки.

Целью настоящей работы является исследование работы в потоке сквозных свайных выправительных сооружений - запруд и полузапруд и разработка на этой основе методики их расчета. Это позволит расширить практику применения этого типа сооружений в качестве выправительных для обеспечения судоходных условий на водных путях.

Методика исследований. Решение поставленных вопросов в настоящей работе было получено на основе проведения экспериментальных исследований по оценке взаимодействия потока и сквозных свайных выправи-тельных сооружений.

Лабораторные исследования проводились в гидравлическом лотке прямоугольного сечения с жестким дном.

Моделирование рассматриваемых явлений осуществлялось с соблюдением основных критериев подобия, что позволило не выходить за пределы автомодельной области.

Измерение осредненных продольных скоростей течения производилось микровертушкой ГГИ. Фиксация отметок свободной поверхности воды и глубины потока выполнялась с помощью пьезометра. Донные струи потока подкрашивались, а их положение фиксировалось с помощью фотоаппаратуры.

Научная новизна результатов работы.

1. Экспериментально исследована работа в потоке сквозных свайных вы-правительных сооружений с различной степенью стеснения, коэффициентом застройки и высотой.

2. Исследована кинематическая структура потока при обтекании им сквозных свайных выправительных сооружений - запруд и полузапруд.

3. Получена зависимость, связывающая коэффициент застройки сквозной свайной запруды, бытовую и среднюю скорости течения между сваями в неза-топленном состоянии.

4. Разработаны методики расчета сквозных свайных запруд и полузапруд при различной степени их затопления.

Основные поло же ни я. выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований работы в потоке сквозных свайных выправительных сооружений.

2. Методика расчета параметров сквозных свайных полузапруд с учетом степени их затопления.

3. Приближенный метод определения параметров незатопленных сквозных свайных полузапруд.

4. Методика расчета параметров сквозных свайных запруд с учетом их степени затопления.

Практическое использование результатов.

Разработанные положения диссертационной работы и методы расчета предназначены для проектирования сквозных свайных выправительных сооружений на судоходных реках. Особое значение использование таких сооружений приобретает в современных условиях на водных объектах, подверженных к настоящему времени воздействию антропогенных факторов.

Результаты исследований автора диссертационной работы использовались при проведении проектных проработок, выполненных Проектно- изыскательским институтом Ленгипроречтранс при разработке рекомендаций по обеспечению судоходных условий в зоне влияния карьерных разработок на верхнем Чулыме и на реке Вятке в районе г. Кирова.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были представлены и докладывались автором на конференциях профессорско-преподавательского состава и научно-методических конференциях, проводимых в СПГУВКе (С.- Петербург, 1998,-99); на тринадцатом пленарном межвузовском совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Псков, 1998).

Результаты диссертационного исследования автора используются в учебном процессе при подготовке студентов на гидротехническом факультете СПГУВК по специальностям 290400 "Гидротехническое строительство" и 320600 - "Комплексное использование и охрана водных ресурсов".

Основные результаты исследований и содержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных работах автора.

1. СКВОЗНЫЕ СВАЙНЫЕ ВЫПРАВИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ

3.4. Выводы

1. Различие в работе глухих (р=1.0) и сквозных свайных (р<1.0) запруд вызвано проницаемостью последних для потока жидкости и транспорта наносов. С постепенным увеличением коэффициента застройки р сквозные запруды приближаются по воздействию на поток к глухим сооружениям.

2. В нижнем бьефе непосредственно за незатопленной запрудой максимальные скорости формируются в районе глубин 0.6-г 0.811, а у всех остальных затопленных сооружений максимальные скорости располагаются ближе к поверхности воды - в районе 0.2-7-0.311.

3. Сквозная запруда формирует более благоприятный режим донных скоростей, позволяющий свести длину крепления дна в нижнем бьефе к минимуму.

4. Сквозная запруда в зависимости от р и Ьс способна создать подпор уровней воды в верхнем бьефе от минимального до значительного, одновременно пропуская между сваями часть расхода наносов. В то же время, вызываемый сквозными свайными запрудами перепад уровней воды между верхним и нижним бьефами значительно меньше такового при непроницаемых запрудах.

5. У свайных запруд с ростом р переливающийся через гребень сооружения расход воды растет, а расход воды проходящий между сваями уменьшается.

4. РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СКВОЗНЫХ СВАЙНЫХ ВЫПРАВИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ

4.1. Зависимость перераспределения расхода воды по ширине потока от параметров сквозной свайной полузапруды

Основными параметрами сквозных свайных полузапруд являются: степень стеснения потока сооружением ш, высота сооружения Ьс и коэффициент застройки сооружения р.

Одной из целей диссертационного исследования являлось решение задачи о распределении расхода воды по ширине русла с учетом степени затопления сквозной полузапруды, т.е. создание универсальной зависимости, связывающей параметры сооружения с основным показателем работы сооружения по перераспределению расходов воды между застроенной и незастроенной частями русла - коэффициентом Ксв.

До настоящего времени подавляющее большинство предложенных методов не позволяют оценить воздействие на поток сквозной полузапруды со степенью затопления — меньше 1.0. Ь

При решении этой задачи использовались данные, полученные автором в ходе экспериментальных исследований сквозных свайных полу запруд (глава 2).

Используя экспериментальные данные, можно построить график перераспределения общего расхода воды О между застроенной и незастроенной частями потока. Расход, проходящий через застроенную часть лотка <3П вюпо-чает в себя расход между сваями (^св и расход воды переливающийся через гребень сооружения С)пер (в случае незатопленных свайных полузапруд

Зпер=0). График строился для — =0.3, 0.6, 0.9 и 1.0, т.е. он характеризует Ь сквозные сооружения как незатопленные так и с различной степенью затопления.

Характер изменения величины АО в зависимости от параметров сооружения для незатопленных полузапруд показан на рис. 4.1 и 4.2. График построен на основе экспериментальных данных и показывает в какой мере возрастает величина ДС2 с увеличением р, ш и Ьс.

Этот график позволяет увидеть важную особенность процесса перераспределения расхода воды между застроенной и незастроенной частями потока. Она заключается в том, что в диапазоне значений коэффициента застройки р от О до 0.80 характер изменения ДР линейный, а от 0.80 до 1.0 значения Д(2 резко возрастают с ростом р и т и характер изменения Д(2 становится нелинейным. Это затрудняет создание зависимости, позволяющей охватить весь диапазон р от 0 до 1.0. Расчет сквозных свайных сооружений с коэффициентом застройки р>0.80 целесообразно вести по методикам расчета непроницаемых вы-правительных сооружений, разработанным рядом авторов [15,22,24, 30, 36, 55, 58, 67-69]. Хотя и в этом случае полученные результаты не будут соответствовать истине, поскольку вплоть до р=1.0 сооружение остается проницаемым.

Учитывая эти особенности, рабочим диапазоном коэффициента застройки для сквозных свайных выправительных сооружений в нашем случае будет являться интервал р=0-г0.80.

Снимая с этого графика значения расходов воды, проходящих в пределах незастроенной части лотка и зная бытовое распределение расходов воды, можно построить четыре графика КСЕ^ (ш, р), каждый из которых соответствует одной степени затопления сооружения — (Ис - высота сооружения, 11 - средЬ няя глубина потока в верхнем бьефе). Они показаны на рис. 4.3 и 4.4. Переход

ЬС от высоты сооружения пс к степени затопления — осуществлен с целью поЬ лучения удобной безразмерной величины, характеризующей высоту сквозного сооружения. сквозных свайных полузапруд сквозных свайных полузапруд

1.5

1.4 i. à i.2 1.1 О ч

1.2 У

0 Рис. 4.3 к св

-/.з У

4.0

1 Ьс —-0.6 ь т-0.25 Р .

0.1 0.2 0.5 О. У 0.5 0.6 0,1 к св

У./ 0

V =0.3 и

Р ■

2/ а'2 £3 Рис. 4.4. Экспериментальные графики зависимости Ксв = Т

0.7

К 1 р,ш V Ь у

Зависимость Ксв в рамках отдельной степени затопления сквозной свайной полузапруды сооружения описывается уравнением вида:

Ксв = 1.0 + В-р, (4.1) где В=€ (р).

Логарифмируя величину В и проводя через полученные точки прямые, строим графики 1п100В=Г (ш). Поскольку конечной целью является получение универсальной зависимости для любой степени затопления сооружения, сводим все эти четыре графика в один на рис. 4.5. Получаем семейство прямых, пересекающихся в одной точке.

Абсцисса точки пересечения соответствует ш=1.0, что удовлетворяет физике явления. Ордината точки пересечения соответствует значению 5.5.

Эти прямые описываются уравнением вида:

1п 100В=5.5 -Ь( 1 -т), (4.2) ьл где Ь = Г

Далее строится вспомогательный график Ь=Г с чЬ, логарифмируя Ь, получаем график 1пЬ=:Г Полученная прямая описывается уравнением:

Ь,

1пЬ=2.48-1.14 —, (4.3)

11

11.95 решая которое получаем Ь =

313ЬС/Ь

Подставляя выражение для Ь в уравнение (4.2), получаем:

1п 100В = 5.5 - И;95ь (1 - ш) (4.4)

3.13ьс/ь

Решая это уравнение находим В:

В-2.45 й, (4.5)

1 13.3(1 -ш) где а = 1.0--. .

3.13Ьс/ь

Подставляя (4.5) в исходное уравнение, получим искомую зависимость:

Ксв =1.0 + р-2.45а (4.6)

В правую часть этого уравнения входят все параметры сквозного свайного сооружения: степень стеснения потока ш, высота сооружения Ьс и коэффициент застройки сооружения р, что позволяет подобрать параметры ш, Ьс и р, соответствующие требуемому Ксв. Тестовые расчеты показали, что вычисленные по этой формуле значения Ксв хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Полученная зависимость справедлива для начального момента работы полузапруды в потоке.

Границы применимости полученной формулы, в пределах которых получаются надежные результаты:

- степень стеснения потока т не более 0.60;

- коэффициент застройки сооружения р не более 0.80;

- ограничений по высоте сооружения нет.

Данные ограничения по ш и р нельзя считать недостатком полученной зависимости, поскольку опыт проведения выправительных работ показывает, что большинство эксплуатируемых полузапруд имеют степень стеснения потока т=0.20-г0.50. Что касается коэффициента застройки р, то здесь встает вопрос о практической целесообразности проектирования и строительства полузапруд с р=0.80-г 1.0. Исследования показывают, что при таких р полузапруды по своему воздействию на поток приближаются к непроницаемым сооружениям и должны рассчитываться по соответствующим методикам расчета.

4.2. Сравнение формул для вычисления перераспределения расхода воды в створе сквозной свайной полузапруды

4.2.1. Случай незатопленного сооружения

Важной задачей при изучении работы в потоке сквозных полузапруд любого типа является определение величины расхода воды AQ, оттесняемой из застроенной части в незастроенную. От того, насколько достоверно определено перераспределение расхода воды по ширине русла, напрямую зависит эффективность работы выправительного сооружения, особенно если оно проектируется как водостеснительное.

Несмотря на то, что многие авторы в разные годы занимались этой проблемой, говорить о том, что она полностью решена еще рано. Перечень авторов и предлагаемых ими методов определения величины AQ приведен в главе 1 данной диссертационной работы. Среди них представлены формулы для призматической и прямоугольной форм русла. В настоящем параграфе проводится сравнительный анализ результатов, полученных по формулам для прямоугольных лотков и данных о расходах воды, полученных автором настоящей работы экспериментальным путем. Результаты вычислений сведены в табл. 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными целями в настоящей диссертационной работе были проведены исследования по изучению влияния на гидравлические характеристики потока сквозных свайных выправительных сооружений (запруд и полу запруд). На их основе разработаны предложения и рекомендации по их расчету.

Для решения поставленных задач в рамках диссертационного исследования были выполнены:

- обзор опубликованных материалов по теме диссертации и анализ современного состояния проблемы;

- проведен комплекс лабораторных экспериментов в гидравлическом лотке с жестким дном;

- выполнены теоретические исследования работы в потоке сквозных свайных выправительных сооружений;

- разработаны рекомендации и расчетное обоснование параметров сквозных свайных запруд и полузапруд.

Обобщение полученных результатов позволяет оценить уровень изученности проблемы и определить основные направления по которым следует продолжить исследования в дальнейшем. Основные выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Обзор работ, посвященных теме диссертации, показал, что данная проблема представляла интерес для специалистов в течение длительного времени. Полученные на ранних этапах исследований результаты представляют собой разрозненные сведения и не соединены воедино. Отсутствие единой совершенной методики расчета сквозных выправительных сооружений является главным препятствием на пути широкого внедрения сооружений данного типа в практику выправительных работ на судоходных реках.

2. Большинство ранее выполненных работ было посвящено изучению не-затопленных сооружений, что делает невозможным прогнозирование воздействия на поток затопленного сооружения. Работа в потоке затопленных сквозных сооружений исследована недостаточно и требует дополнительных усилий.

3. В ходе выполненных экспериментов исследовалась зависимость основных гидравлических характеристик потока от параметров сквозного сооружения. Установлено, что сквозное свайное сооружение способно оказывать на поток воздействие различной степени. Степень воздействия определяется совокупностью всех параметров сооружения.

4. Изучение перераспределения расхода воды по ширине русла показало, что сквозные свайные полузапруды могут выполнять при определенных значениях основных параметров водостеснительную функцию. С увеличением т, р и Ь с интенсивность перераспределения расходов возрастает. Предложено расчетное обоснование параметров сквозной свайной полузапруды, позволяющее учесть все основные параметры сквозного свайного сооружения.

5. Исследования работы в потоке сквозных свайных запруд показали, что в зависимости от коэффициента застройки и высоты сооружения они оказывают различное сопротивление потоку и, следовательно, вызывают различный перепад уровней воды. Чем больше параметры сооружения р и Ьс, тем большее воздействие оказывает сквозная свайная запруда на поток. В работе предлагается методика расчета параметров сквозной свайной запруды.

6. В районе установки сооружения поток теряет часть своей кинетической энергии, что будет способствовать отложению влекомых и крупных фракций взвешенных наносов выше сооружения. При определенных условиях часть русловых наносов будет проходить транзитом через створ сооружения.

7. Свайные сооружения по сравнению с другими типами выправительных сооружений в большей мере отвечают требованиям охраны окружающей среды. При их возведении не возникает дополнительной мутности в процессе строительства; они не препятствуют водообмену и транспорту наносов между бьефами и в случае необходимости легко поддаются демонтажу. Возможно применение их в качестве защитных сооружений в районах карьерных разрабо

1. Абдрасилов С.А. Исследование гидравлических характеристик руслового потока, стесненного сквозными сооружениями свайного типа: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1976. - 25 с.

2. Алтунин С.Т. Выправительные, защитные и регулировочные сооружения на реках. М.: Сельхозгиз, 1947. - 176 с.

3. Алтунин С.Т. Регулирование русел рек при водохозяйственном строительстве. Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1957. - 9 с.

4. Алтунин С.Т. Регулирование русел. М.: Сельхозиздат, 1962. - 352 с.

5. Амбарцумян Г.А. Сквозные шпоры с гидравлическим барьером. Ереван, 1957. - 18 с.

6. Амелина С.С. Некоторые вопросы гидравлики сквозных сооружений // Вопросы пути и путевого хозяйства (Труды ЛИИЖТа). 1969. - С. 87-93.

7. Амелина С.С. Исследование гидравлических сопротивлений сквозных сооружений: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1970. - 17 с.

8. Бакиев М.Р. Закономерности растекания потока за глухой и сквозной шпорой: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1974. - 27 с.

9. Бакиев М.Р. Совершенствование конструкций, методов расчета и проектирования регуляционных сооружений: Автореф. дис. докт. техн. наук. М., 1992. - 55 с.

10. Баланин В.В., Василевский В.П. Определение местных потерь напора при расширении турбулентного потока в трубопроводах методом теории турбулентных струй // Труды ЛИВТа. 1978. - Вып. 162. - С. 5-10.

11. Башкиров Г.С. К вопросу о гидротехническом применении ветвистых сквозных конструкций // Труды Академии речного транспорта. 1952. - Вып.1. -С. 182-187.

12. Башкиров Г.С. Вопросы применения сквозных сооружений ветвистого и свайного типа в русловой гидротехнике: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1953.- 12 с.

13. Башкиров Г.С. Применение теории местных гидравлических сопротивлений к расчету проницаемых выправительных сооружений // Опыт проектирования и производства выправительных работ. М.: Речтранспорт, 1957. -С. 63-74.

14. Борщевский Ю.Т., Хохлов В.А. О силовом воздействии потока на вы-правительную шпору // Вопросы гидротехники (Труды НИИВТа). 1968. -Вып.38.-С. 38-41.

15. Ботвинков В.М. Проектирование дноуглубительных и выправительных работ на малых реках // Труды НГАВТ. 1995. - С. 9-10.

16. Букреев В.П. Совершенствование методов регулирования русловых процессов на меандрирующих реках: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1995. -24 с.

17. Володарский Е.А. Выправление (регулирование) рек. М.: Водный транспорт, 1939. - 268 с.

18. Гиляров Н.П. Обтекание открытым потоком береговых выступов // Труды ЛИВТа. 1965. - Вып.83. - С. 27-36.

19. Гиляров Н.П. Моделирование речных потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.- 198 с.

20. Гладков Г.Л. Обеспечение устойчивости русел судоходных рек при дноуглублении и разработке русловых карьеров: Автореф. дис. докт. техн. наук. -СПб, 1996.-33 с.

21. Григорьев С.Н., Шадрин И.А. Выправительные работы на реках. М.: Водтрансиздат, 1954. - 227 с.

22. Гришанин К.В., Дегтярев В.В., Селезнев В.В. Водные пути. М.: Транспорт, 1986. - С. 271-273.

23. Гришанин К.В. Основы динамики русловых потоков. М.: Транспорт, 1990.-320 с.

24. Дегтярев В.В. Основы проектирования выправительных сооружений // Конспект- лекция для слушателей курсов ИТР при НИИВТе. 1963. - С. 50-55.

25. Дегтярев В.В., Долгашев В.А. Руководство по расчету свайных вы-правительных сооружений. Новосибирск, 1966. - 28 с.

26. Дегтярев В.В. Выправление рек. М.: Транспорт, 1968. - 192 с.

27. Дегтярев В.В. Выправительные сооружения из грунта. М.: Транспорт, 1970. - 248 с.

28. Дегтярев В.В. Выправительные сооружения и механизмы для выпра-вительных работ. М.: Транспорт, 1977. - 206 с.

29. Дегтярев В.В. Проектирование и эксплуатация выправительных сооружений на внутренних водных путях. М.: Транспорт, 1981. - 224 с.

30. Дегтярев В.В. Улучшение судоходных условий сибирских рек. М., 1987.- 175 с.

31. Дегтярев В.В. Охрана окружающей среды. М.: Транспорт, 1989.208 с.

32. Долгашев В.А. К расчету одиночных свайных полузапруд // Вопросы гидротехники (Труды НИИВТа). 1965.- Вып.20. - С. 53-59.

33. Долгашев В.А. Гидравлический расчет сквозных свайных выправительных сооружений // Методическое пособие для дипломного проектирования на факультете Водных путей и портов Новосибирск, 1967. - 26 с.

34. Долгашев В.А. Влияние сквозного сооружения на скоростное поле потока 11 Труды НИИВТа. 1968. - Вып.38. - С. 27-37.

35. Долгашев В.А., Афанасенко Е.В. О расчете запруд // Труды НИИВТа. -1982.-Вып.157,-С. 30-38.

36. Иващенко А.Т. Затопленные полузапруды и их расчет: Автореф. дис. канд.техн. наук. Новосибирск, 1974. - 14 с.

37. Иващенко А.Т. О распределении скоростей течения за затопленным сооружением 11 Труды НИИВТа. 1977,- Вып. 120. - С. 38-42.

38. Ишаев Ф.Ш. Исследование сквозных защитно-регулировочных сооружений из железобетонных балочных тетраэдров применительно к рекам Средней Азии: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1969. - 19 с.

39. Колосов М.А. Механизация заглубления свай при строительстве вы-правительных сооружений // Речной транспорт, 1961, N4. С. 48.

40. Коновалов И.М. Турбулентные струи. М., Л.: Труды Академии речного транспорта. - 1952. - Вып.1. - С. 125-140.

41. Коновалов И.М. К теории турбулентных струй // Труды ЛИИВТа. -1956.-Вып.23.-С. 3-8.

42. Кощеев А. Н. Теоретические и экспериментальные исследования обтекания полузапруд в параболическом русле: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Печора, 1954. 18 с.

43. Лавринович Л.П. Развитие выправительных работ. М.: Речиздат, 1946.-20 с.

44. Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. Л.: Госэнерго-издат, 1960.-210 с.

45. Лосиевский А.И. Основные принципы регулирования перекатов лег-ковыправительными сооружениями. М.: Изд-во Мин. реч. флота СССР, 1946. -С. 3-7.

46. Мирзиятов М. Сквозные шпоры для защиты берегов от размыва и методы их гидравлического расчета: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1976.-23 с.

47. Орлов И.Я. Сквозные заилители для защиты берегов от размыва. М.: Гидротехника и мелиорация, 1951. -N 12. - С. 61-72.

48. Пахомов В. Исследование выправительных сооружений из грунта: Автореф. дис. канд. техн. наук. Горький, 1958. - 15 с.

49. Пенчев B.C. Моделирование и гидравлические методы расчета сквозных берегозащитных сооружений: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1992. -24 с.

50. Попов H.A., Шелгунов Н.К. Опыт проведения выправительных работ на реках Камского бассейна. М.: Речной транспорт, 1958. - С. 33 37.

51. Процеров И.А. Развитие выправительных работ. Л., 1947. - 36 с.

52. Рекомендации по расчету трансформации русла в нижних бьефах гидроузлов. Изд-во ВНИИГ, 1981. - 98 с.

53. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации выправительных сооружений из грунта. М.: Транспорт, 1971. - С. 44-47.

54. Рустамов А.Н., Кошель И.А. Руслорегулирующие и берегозащитные сооружения на водотоках. Изд-во АзНИИНТИ, 1991. - 33 с.

55. Саад С.С. Совершенствование методов расчетного обоснования и конструкции сквозных шпор со ступенчатой застройкой по длине: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1991 .-14 с.

56. Селезнев В.М. Исследование кинематики потока в районе полузапруд: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1957,- 19 с.

57. Селезнев В.М. Исследование работы выправительных сооружений в потоке и их расчетное обоснование при улучшении судоходных условий: Автореф. дис. докт. техн. наук. Л., 1978. - 57 с.

58. Серебряков A.B., Будько А.Л. Улучшение двухрукавных участков русел выправительными сооружениями // Труды НИИВТа. 1971. - Вып.76. - С. 79-102.

59. Словинский В.А. Конструкции берегоукрепительных и регуляционных сооружений в Закавказье. Тбилиси, 1951. - 63 с.

60. Терехов И.Б. Выправительные сооружения из елочной кладки. М.: Речиздат, 1946. - 39 с.

61. Терехов И.Б. Легковыправительные сооружения и работы на свободных реках. Л., М.: Речиздат, 1947. - 204 с.

62. Терпугов H.B. Регуляционные сооружения для малых и средних рек Украины. Киев: Изд-во АН УкрССР, 1948. - 73 с.

63. Уркинбаев Р. Некоторые вопросы гидравлики сквозных шпор в условиях р. Аму-Дарьи: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент: ФАН, 1969. - 24 с.

64. Хачатрян М.Р., Амбарцумян Г.А., Мартикян P.C. Определение угла установки берегозащитных поперечных шпор и расстояния между ними. М.: Гидротехника и мелиорация, 1959. - N 5. - С. 37-44.

65. Чекренев А.И. О методике расчета выправительных сооружений на судоходных реках. Л., 1956. - 62 с.

66. Чекренев А.И., Баланин В.В. и др. Методика расчета выправительных сооружений на судоходных реках. М.: Речной транспорт, 1959. - С. 215-217.

67. Чекренев А.И. Практическое пособие по производству выправительных работ на внутренних водных путях. Л.: Речной транспорт, 1961. - С. 114117.

68. Чоу В.Т. Гидравлика открытых каналов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1969. - С. 354-355.

69. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. - С. 520-528.

70. Шадрин И.А. Опыт русловых исследований на открытых моделях. -М.: Изд-во Министерства Речного Флота СССР, 1951. 102 с.

71. Шамова В.В. Результаты натурных исследований кинематики потока в зоне взаимодействия со сквозными сооружениями // Труды НИИВТа. 1982. -Вып. 157. -С. 39-43.

72. Шамова В.В. Перераспределение расхода воды в створе проницаемой преграды // Труды НИИВТа. 1983. - Вып. 166. - С. 127-132.

73. Шамова В.В. Управление гидравлическим режимом речного потока сквозными полузапрудами: Автореф. дис. канд. техн. наук. Новосибирск, 1990. - 20 с.

74. Эйснер Ф. Экспериментальная гидравлика сооружений и открытых русел. М., Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1937. - 352 с.137 •

75. Яковенко В.Г. Строительство берегоукрепительных сооружений. М.: Транспорт, 1986. - С. 134-136.

76. Zur Berechnung offener Gerinne mit beweglicher Sohle und Uferbewuchs // Mitteilungen: Leichtweiss-Institut fur Wasserbau der Technishchweig Universität Braunschweig, 1990. Heft 106. - 154 s.