автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Развитие теории, методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением

На правах рукописи

КУРБАНОВ САЛИГАДЖИ ОМАРОВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ С ПОЛИГОНАЛЬНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ

05.23.07 - Гидротехническое строительство 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОР ЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

18 АПР ¿013

г. Москва - 2013 г.

005052363

Работа выполнена на кафедре Гидротехнические сооружения ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природо-обустройства» и на кафедре "Строительные конструкции и сооружения" ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова»

Научный консультант: Румянцев Игорь Семенович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: Волосухин Виктор Алексеевич

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой Строительной механики ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» Сметанин Владимир Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Организации и технологии строительства объектов природообустройства ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Клепов Владимир Ильич доктор технических наук, доцент кафедры Гидрологии, метеорологии регулирования стока ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

Защита состоится «._!?» 2013 г. в на заседании

диссертационного совета Д 22045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550 Москва, ул. Прянишникова 19. Эл. адрес: mailbox@msuee.ru, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, ----

кандидат технических наук, доцент И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гидротехнические каналы и защитно-регуляционные сооружения являются самыми древними, распространенными и протяженными сооружениями. Вместе с тем обеспечение пропускной способности больших каналов, зарегулированных русел и надежной защиты прибрежных зон в период половодий и паводков является серьезной проблемой для многих регионов мира. Ежегодно значительные территории попадают под затопления и размыв, в результате этого причиняется огромный ущерб экономикам различных стран. Только по регионам Северного Кавказа каждый год, приносимый материальный ущерб от паводков рек достигает полутора миллиардов рублей.

Существующие методы расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел не в полной мере позволяют в процессе проектирования подобрать оптимальные параметры их сечений и разработать эффективные конструкции креплений последних. Для каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением вообще отсутствуют научно обоснованные методы их проектирования. Применяемые в настоящее время конструкции облицовок и защитно-регуляционных сооружений нуждаются в совершенствовании и адаптировании к природной среде, а также в разработке природоохранных технологий их возведения.

Научная проблема состоит в необходимости:

- разработки теории и методологии гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- совершенствовании природно-технических систем с помощью биопозитивных конструкций для регулирования русел и защиты прибрежных зон с учетом геоморфологических условий рек.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообу-стройства» и ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова», а также согласно Межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2006 - 2010 годы, и заданию 07 «Разработка научно-методической основы и технологии экологически безопасного водопользования в АПК и эффективного функционирования мелиоративных и водохозяйственных систем».

Цель работы заключалась в разработке методологии расчетного обоснования и проектирования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, и научных основ проектирования биоинженерных систем защитно-регуляционных креплений.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие основные задачи:

- изучить и исследовать существующие методы расчетного обоснования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, осуществить и сделать комплексный анализ получаемых результатов, на предмет их достоверности и пригодности для практического использования;

- разработать научные основы и методологию гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- исследовать гидравлические характеристики каналов с полигональным поперечным сечением и с различным числом симметричных откосов (т/, т2, тз, и шириной понизу Ъ> О, установить влияние полигональной формы поперечного сечения канала на гидравлические условия и эффективность его работы;

- осуществить мониторинг и комплексный анализ гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел призматического профиля (прямоугольных и трапецеидальных) в натурных условиях, найти конструктивные и технологические решения для приведения их к полигональному поперечному сечению;

- выполнить экспериментальные натурные исследования надежности работ защитно-регуляционных сооружений авторской разработки в условиях предгорных и равнинных участков рек, определить факторы и критерии эффективности их работы с учетом геоморфологических особенностей и гидрологических условий мест их расположения;

- провести полевые натурные исследования на транзитном участке селепроводящего русла р. Герхожансу с целью выявления природного механизма формирования динамически устойчивого русла с поперечным сечением, очертания которого близки к гидравлически эффективному полигональному сечению;

- разработать методологию и критерии оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов и зарегулированных русел;

- разработать методику и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов с полигональным поперечным сечением, имеющих несколько откосов различного заложения (т¡, т2 и т3), а также ширину понизу Ъ> 0;

- разработать теоретические модели и методику гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением и различным по высоте сечения числом симметричных откосов (/и/, т2, т3) и шириной понизу Ь > О ;

- получить аналитические зависимости для определения критических глубин, а также усовершенствовать метод гидравлического расчета лотковых каналов с полигональным поперечным сечением с неравномерным режимом движения воды;

- разработать методику регулирования небольших участков рек и расчетного обоснования параметров их наивыгоднейших поперечных сечений;

- разработать биопозитивные конструкции сооружений для регулирования русел природно-технических систем защиты и восстановления прибрежных нарушенных зон с учетом геоморфологических и гидрологических условий;

- развить теорию и методологию расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- разработать научные основы проектирования и последующего возведения защитно-регуляционных сооружений предлагаемых конструкций для русел рек и каналов, а также защиты прилегающих к ним территорий.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- теория и методология расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля;

- методы проектирования и расчетного обоснования транзитных лотков полигонального профиля, и система оценок их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности в условиях бурного режима движения воды;

- модели и методы гидравлического и технико-экономического расчетов гидротехнических каналов с полигональным поперечным сечением различного назначения;

- методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел.

- конструктивные и технологические решения биоинженерных систем регулирования русел и защиты прибрежных зон.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны научные основы и общие методологические подходы к расчетному обоснованию каналов и зарегулированных русел

призматического профиля с учетом геоморфологических условий их прохождения;

- получены новые расчетные зависимости и критерии, наиболее точно характеризующие полигональные сечения и позволяющие выполнить с высокой достоверностью гидравлические расчеты каналов и зарегулированных русел;

- разработаны научные основы и методика оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов;

- разработаны теоретические модели и методы гидравлического расчета энергетических каналов с симметричными и несимметричными полигональными поперечными сечениями;

- теоретически получены новые расчетные зависимости для определения критических глубин каналов с полигональным поперечным сечением и на их основе усовершенствована методика гидравлического расчета лотковых каналов, работающих с неравномерным режимом течения;

- исследованы в натурных условиях новые типы защитных креплений и регуляционных сооружений, конструкции которых предложены автором диссертации, определены параметры и критерии эффективности и надежности их работы;

- разработаны и внедрены в практику новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел;

- предложена усовершенствованная система оценок гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел с полигональным поперечным сечением.

- на основе концепции экологизации природно-технических систем получены новые конструктивные и технологические решения, подтвержденные патентами РФ, для биоинженерных систем регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных и нарушенных зон.

Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена 30 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Достоверность теоретических, разработанных автором положений подтверждена сходимостью аналитических предпосылок и результатов экспериментальных и натурных исследований, проведенных на действующих магистральных каналах предгорной зоны КБР, а также на предгорных и равнинных участках рек Северного Кавказа.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

- новые методы гидравлического расчета каналов полигонального профиля различного назначения, позволяющие повысить достоверность результатов и сократить объем расчетов более чем в два раза;

- расчетные модели, позволяющие использовать современные вычислительные системы проектирования каналов и русел полигонального профиля;

- рекомендации по повышению гидравлической эффективности, экологической безопасности и эксплуатационной надежности каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- рабочие проекты берегоукрепительных сооружений, выполненные с использованием новых технических решений, авторской разработки;

- методические рекомендации по проектированию конструкций защитно-регуляционных природоохранных сооружений;

- новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русл;

- биоинженерные системы регулирования русел и защиты прибрежных зон, позволяющие восстановить природный саморегулирующийся механизм рек и естественный ландшафт прибрежных зон.

Реализация результатов исследований

Разработанные новые методы гидравлического расчета каналов и регулирования русел полигонального профиля приняты к внедрению в производство проектными и водохозяйственными организациями: ОАО «Севкавгипроводхоз», ОАО «Даггипроводхоз», ООО Научно-производственная фирма «Берег» и ФГБУ «Каббалкмелиоводхоз», ФГУ «Запкаспводхоз», ФГУ «Дагводресурсы». Эти методы внедрены и в учебные процессы высших образовательных учреждений КБГСХА, МГУП иДГТУ.

Новые технические решения по проектированию берегозащитных и руслорегулировочных сооружений прошли производственную проверку 1991 - 2009 годах на реках Северного Кавказа - на разных участках р. Терек, на р. Черек, на р. Чегем, на р. Нальчик, на р. Самур и на ряде других рек.

Личное участие автора в получении результатов диссертационной работы выразилось в постановке проблем и генерировании основных идей и путей их разрешения; планировании, подготовке и проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также в анализе их результатов.

Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на научно-технических советах проектных, научных и производственных организаций ОАО «Севкавгипроводхоз», ОАО «Каббалкгипро-водхоз», ОАО «Даггипроводхоз», ФГУ «Дагводресурсы», ФГУ «Зап-каспводхоз», ФГОУ ВПО КБГСХА, в комитете Водных ресурсов КБР в 1998-2006 гг.; на кафедрах Гидравлики и ГТС МГУП в 2007...2011г.; на международной научно-технической конференции по селям в ОАО «Севкавгипроводхоз» (г. Пятигорск, 2003 г.); на Всероссийской научно-практической конференции МЧС РФ (г. Москва, 2003, 2004 гг.); на Всероссийских и международных конференциях в ФГОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2003 и 2011 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции по селям (г. Нальчик, 2005 г.); на Всероссийских научно-практических конференциях, проходивших в Западно-Каспийском БВУ, ДГТУ, НГМА, КБГСХА, г. Махачкала, 2006г, г. Нальчик 2007г., г. Элиста 2008г.; на международной конференции «Проблемы мелиорации и воспроизводства почвенного плодородия» КубГАУ г. Краснодар, 2008г.; на международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», г. Волгоград, ВолГАСУ и др. 23-24. 04.2009 г.; на научно-технических конференциях КБГСХА в 1995 - 2011 годы; на научно-практических конференциях МГУП в 2003 - 2011 годы; на международной выставке в г. Сочи - 2010г.

Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит свыше 60 наименований, в т.ч. 30 изобретений и 16 статей опубликованы в центральных и региональных научно-технических журналах из перечня ВАК: «Гидротехническое строительство», Вестник ВолгГАСУ «Строительство и архитектура», «Мелиорация и водное хозяйство», «Экология и промышленность РФ», «Известия» Вузов. Технические науки СКР, «ЮГ РОССИИ», «Природообустройство» МГУП. Общий объем публикаций свыше 25 п.л.

Объем и структура диссертации. Работа имеет общий объем 395 страниц машинописного текста, включая 76 рисунков, 25 таблиц и 24 фотографий. Структурно диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 360 наименований и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы развития методов проектирования и расчетного обоснования каналов и зарегулиро-

ванных русел с полигональным поперечным сечением. Сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе приводится научный анализ и обзор научно-технической литературы по методам расчетного обоснования и проектирования каналов различного назначения, зарегулированных русел и защитно-регуляционных сооружений, а также по теории русловых процессов и динамики их развития.

Отмечается, что большой вклад в разработку методов гидравлических расчетов каналов внесли: И.И. Агроскин, Т.А. Алиев, B.C. Алту-нин, В.А. Большаков, Г.В. Железняков, Ю.Г. Иванченко, Б.А. Ибад-Заде, Ю.М. Косиченко, К.А. Михайлов, Ц.Е. Мирцхулава, H.H. Павловский, И.С. Румянцев, Е.К. Рабкова, P.P. Чугаев, М.М. Скиба, Д.В. Штеренлихт и др. В развитие научного направления - динамика русловых процессов существенный вклад внесли работы Вернадского Н.М., Великанова М.А., Гришина К.В., Лелявского Н.С., Ржаницы-на H.A. и др. Изучение процесса воздействия потока на подвижное размываемое русло развивалось в направлении изучения наиболее важных закономерностей и установления на этой основе методов расчета инженерных задач. В развитии этого научного направления большой вклад внесли работы Абольянца С.Х., Боровкова B.C., Гончарова В.Н., Леви Ч.Ч., Магомедовой A.B., Мирцхулавы Ц.Е., Знаменской Н.С., Ча-лова P.C. и др.

По форме поперечного профиля наибольшее распространение на практике получили каналы призматического сечения, которые подразделяются на трапецеидальные, прямоугольные, треугольные и полигональные. Среди них по изученности, разработке научных основ и методик расчета, и по распространенности первое место занимают каналы трапецеидального профиля, примерно 80 %. А все остальные вместе взятые призматические каналы составляют около 20 %, в их число входят и каналы полигонального профиля.

Основной задачей гидравлического расчета мелиоративного и другого гидротехнического канала является подбор оптимальных гидравлически наивыгоднейших размеров его поперечных сечений и уклона, вместе обеспечивающих максимально возможную пропускную способность его водотока при минимальных затратах на строительство и эксплуатацию. Эту достаточно сложную и важную задачу, как правило, решали с помощью различных методик расчета для условий равномерного движения воды.

Каналы с полигональным поперечным сечением могут иметь составные типы сечения с двумя, тремя и более симметричными откоса-

ми. Для таких каналов методика расчета гидравлически наивыгоднейших сечений была в свое время разработана А. А. Угинчусом. В соответствии с его методикой все гидравлические характеристики канала выражены через глубину донной части сечения Ъх с помощью относительной ширины р]к=Ь/И1 и относительных глубин И2/И1=а2, /г3//г, =а3. И на их основе им были получены сложные формулы для определения гидравлических характеристик, якобы соответствующих гидравлически наивыгоднейшему сечению (ГНС). Однако проведенные нами исследования и анализ их результатов показали, что по этой методике вообще невозможно подобрать ГНС полигональных каналов. Равным образом выяснилось, что используя эту методику очень сложно проектировать каналы с оптимальными сечениями. Характеристики канала, выраженные через глубину донной части сечения Л,' очень мало влияют на оптимальные гидравлические характеристики всего сечения.

Влияние формы поперечного сечения каналов на их пропускную способность, на надежность их облицовки, вопросы абразивной устойчивости бетонных конструкций креплений каналов и русел являются малоизученными.

Анализ результатов многолетних исследований проблем проектирования и расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел, позволил нам сформулировать основные направления и задачи наших исследований.

Во второй главе приводится методика теоретических исследований гидравлических характеристик каналов полигонального профиля с различным числом парных откосов и шириной понизу Ь > 0 . В наших исследованиях полигональных сечений каналов использован подход, при котором были изменены обозначения характеристик их частей: характеристики верхней части сечения обозначены индексом «1» {со1,к1,тх,...), а остальных частей - с возрастанием индекса по числу откосов сверху вниз (со2,И2,т2,...). И через глубину верхней части сечения Л] выражены гидравлические характеристики всего сечения, и

введен новый параметр п = Д /, выражающую относительную ширину

/К

верхней части сечения (Рис. 1 и 6). С учетом этих изменений для полигональных каналов с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием получены новые расчетные формулы по определению со, х, Я и др.

Рис. 1. Полигональное сечение с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу Ъ > О

По результатам этих расчетов выполнены графики функций х/к(пц) (рис. 2),

Х/К'("О и РМ (Рис- 3)'

построенные при постоянных значениях со и наивыгоднейших значениях

т

и

Рг*> ГДе

соответствует ГНС.

(т.)

ХУР 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0

Рис. 2. График функций

0.4 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 гп,

Рнс. 3. График зависимостей

РгМ)

Из этих графиков видно, что гидравлически наивыгоднейшим за-

тх соот-

ложением боковых откосов является щ = 0,44, этой величине ветствует Д, „ = 1,8 и т2 = 2,5 - 3 . Выбирая наивыгоднейшие значения Р,, для кажДого значения т,, построен график зависимости РгиХт\) (Рис- 4. - кривая 1). Аппроксимируя кривую 1 рн по-

лучена формула

Рг.Н. =ЗСл/Г

I + т:

■щ)

(1)

с помощью, которой можно подбирать ГНС полигонального канала, с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием. Описанная этой формулой кривая 2 почти совпадает с кривой 1, построенной по многочисленным расчетам ГНС на компьютере.

ч

1

0.6 13 1Д 2.0

т,

Рис. 4. График зависимости ргн (/я,)

х!*

11.С 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0

5,0

Для сравнительного анализа построены графики при

тех же исходных данных /и2 и со (рис.5). Для последних кривые х!к(Р) расположены таким образом, чтобы вершины этих кривых (точки экстремума) (х/к)ют находились на одной вертикали, причем, горизонтальная ось каждой кривой перемещена относительно друг друга на некоторое расстояние.

1 т-'0.44; 5-2.5 2от=0.8г Р-=1.25-2.25 Зт *1; р-«б.25-1.75

5т = 2; ц,=0.25-1.25 5 - Опя трапец кан. т.=0.577 (».=0,25-1,25 "

Рис. 5. График функций

X,

Л

{Р)

0,5 1,0 1,Ь 2,0 2,Ь а,и 3,Ь 4,и 4,Ь 6,0 ь,ь 6,0 ¡3 О.Ьо.'б 1',0 1'.5 З'.О 2',5 1о1вЬЬ ' ' ' 2

0,Ь О,'5 1*.0 1,5 2',0 г',5 4,0 ¿,5 4!б '-1

О.'О й!5 1',0 1',5 2*0 ¿5 3,0 ^,5 4,0 4,5 '-4

0,Ь 0,15 1',0 1*,5 г!о г',5 ¿0 з'.Б 4*0 4¡5 '5

3:6

Вершина каждой кривой показывает ГНС соответствующего канала с Щ. На этих графиках показана зависимость х!К(Р) (6-я кривая)

и для трапецеидального канала с наивыгоднейшим заложением откосов т = 0,577. Все это дает возможность наглядно сравнить каналы полигонального сечения с разными значениями /я, между собой и с трапецеидальным наивыгоднейшим. Формула (1) позволяет подобрать ГНС для рассматриваемого канала при определенных значениях

т2 = 2,5..6, а при других значениях осложняется расчет ГНС.

Относительная ширина р зависит не только от тпх, но и от ТП2. Чтобы найти эту взаимосвязь выразим основные характеристики сечения через относительную глубину а2 = И2 //г, . С учетом аг и Р площадь живого сечения

со = тгк\ + 2т2И2Ь1 + - Л,2 (т2а\ + 2т2а2 + тх )=

АЦр + тх+т2а\) ... (2)

Решая уравнению (2) относительно р получена зависимость для

определения относительной ширины р = ^- = 2т а ••■ (3)

й,

наиболее точно характеризующее полигональное сечение с двумя парами симметричных откосов. По этой формуле легко определяется относительная ширина р, соответствующая ГНС при любых значениях заложений откосов т1 и т2 . При этом относительная глубина определяется по зависимости

а _ К = + ... (4)

А1 V1 + т1

С учетом а 2 смоченный периметр

Х = 2а2И^\ + т\ + 2й, д/1 + ю,2 ■•• (5)

При наличии ширины понизу Ъ>0 для ГНС, Ь=0,5В/, тогда

Р = 0,5>3 + 2т2а2 = 4т2а2 ... (6)

Отсюда видно, что при наличии ширины понизу Ь>0 значение относительной ширины р , соответствующее ГНС увеличивается в 2 и более раз.

Аналогичные исследования были проведены и для полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ъ > 0 . Для сечения с треугольным основанием (Ъ=0), все основные характеристики выражены также через глубину верхней части сечения (рис.6).

Относительные глубины кг 11 + т? , ,

= = 1(7

//, П + т} , , Л, у 1 + 1Щ ^

С учетом принятых обозначений а2, а3, и

выполнив небольшие математические преобразования найдены соотношения площади живого сечения, и глубины верхней его части И1.

а>1 Л,2 = 2ща, + 2 т2а2 + щ + 2т3а1а1 + т2а\ + тъа], ■■■ (8)

со)К = Р + Щ + 1тъаъаг + тга\ + ща\ , ■■■ (9)

Решая уравнения (8) и (9), получена формула для определения относительной ширины, соответствующей ГНС

Р = 2от3а3 + 2т2а2 ■■■ (10)

В формуле (10) все безразмерные параметры сечения интегрированы в одну простую математическую зависимость, которая наиболее полно и точно характеризует сечение рассматриваемого канала с треугольным основанием, Ъ = 0. Смоченный периметр сечения при этом,

+тхг +а2д/1+от22 +а3^1+т32 ] ... (11)

По нашим исследованиям результаты расчета ГНС для этого канала получились близкими результатам для полукруглого сечения. Они отличаются менее чем на 2%.

Для полигонального сечения с тремя парами симметричных

откосов, но с шириной понизу Ъ >0 (рис. 6) при Ъ = \ ф + т12 формулы (7) и (10) остаются без изменения, т.к. сечение при этом получается в виде половины правильного многоугольника, вписанного в полукруг.

А при увеличении ширины Ь увеличивается и р, для чего вводится дополнительный коэффициент к, который может изменяться в широких пределах, от 1 до 4 и более. При этом формула (10) принимает следующий вид

Рис. 6. Полигональное сечение с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ъ > 0

Р = 2к(тъаъ + т2а2) •■• (12)

Проведенные исследования и расчеты с использованием формулы (12) показывают, что при к= 1 получаются наилучшие результаты, которые полностью соответствуют параметрам ГНС, при к = 2, результаты ухудшаются всего на 2-3% , а при к=4 и более, результаты ухудшаются на 5% и более.

Для полигонального канала с 4-мя и п-ми парами симметричных откосов, также проведены теоретические исследования. По результатам получены следующие расчетные формулы по определению относительной ширины /? и относительных глубин а2, а3.ап, соответствующие ГНС:

Р = —[- = 2т2а2 + 2тъаъ +2т4а4 +.......+ 2тпап ■> ••• (13)

К

«2 =

1+™.2 а 11+ю

А, р + т; 3 /г, р + т:

(14)

¡1 + т? К 1 + Щ2

+ " А, Ь +

Формулы (13) и (14) являются интегральными параметрами, которые наиболее полно характеризуют полигональные сечения с соответствующим числом симметричных откосов.

Аналогичные исследования проведены и для несимметричных полигональных сечений каналов, т.к. на практике иногда возникает необходимость проектировать каналы с несимметричным поперечным сечением, особенно когда трасса канала проходит по косогору и скальным основаниям. При этом результаты исследований показали, что формулы по определению относительных глубин (4), (7) и (14) остаются без изменений и для этих несимметричных сечений. А формулы для определения относительной ширины (3), (10) и (13) частично видоизменяются в зависимости от изменения количества симметричных откосов. Во всех этих формулах число 2 означает два одинаковых и симметрично расположенных откоса, при их изменении соответственно изменяется и этот коэффициент. Например, для несимметричного полигонального сечения (рис. 7) относительная ширина, соответствующая ГНС принимает следующий вид

Р = 2тъаг + т2а2 ... (15)

Аналогичные формулы были получены для всевозможных несимметричных полигональных сечений каналов с разными числами отко-

сов и шириной понизу Ъ > 0 . На их основе выведены расчетные формулы по определению основных гидравлических характеристик каналов. В тексте главы приводятся подробные выводы всех этих формул с необходимыми обоснованиями.

Полученные результаты исследований гидравлических характеристик всех рассмотренных сечений каналов симметричного и несимметричного полигонального профилей подтверждают обоснованность принятого подхода для их исследований. Этот же подход (с теми же обозначениями) использован и при исследовании критических характеристик и состояния режима движения воды в лотковых каналах полигонального профиля.

И, /т.

ь, /гл,

шГ^-ч. В1

Рис. 7. Несимметричное полигональное сечение

Критическая глубина Асг и параметр кинетичности потока Пк являются важнейшими характеристиками каналов, с помощью которых определяются режим и состояние потока. С помощью Асг проверяется состояние потока, путем сопоставления ее с фактической (нормальной) глубиной И0. Ьсг = й1сг + И2сг = А1сг(1 + а2). Автором получено новое

уравнение критического состояния потока в каналах полигонального профиля с двумя парами откосов и треугольным основанием (рис. 1) «б2 _ \tfcr (™2сс1 + 2т2а2 + /и, )]3 _ И^сг {т2а\ + 2т2а2 + тх )2 g }г1сг(2т2а2+2тх) 1т2а2 + 2т1

■ (16) ...(17)

[ g(^n2a\ + 2тгаг + /и, )3 С учетом относительной ширины р, полученной нами ранее (3),

Решая уравнения (16), получено ^ _) а()22(т2а2+т1)

Кг =51

а02(р+2т,)

(18)

При наличии ширины понизу Ъ = И1сгф+т[ и с учетом /3 будем иметь

к,=

^{т^ + 2от2«2 + п\-т\ а\!\т1)ъ V £(т2аг + Р + р2 /16т2)3

а6г(/7 + 2/и,)

...(19)

Аналогичными исследованиями нами получены расчетные формулы для определения критических глубин в каналах полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и треугольным основанием (рис. 6). Для этого сечения

К = Кг + Кг + Кг = Кг 0 + «2 + «з) > • • • (2°)

«2 = Кг /К ' Кг = агКг «3 = Кг /Кг ' Кг = «3 Кг ■■■ (21) Уравнение критического состояния для этого канала, полученное с учетом принятых обозначений имеет вид

аО1 /¡,5СГ (2 т3 а3 + т2 а2 + 2т2 а2 + 2т 2 а2 а} + т1 + т3 а\ )3

g 2т3 а3 +2т2а2 +2т1

Из уравнения(22) получим

(22)

h /_aQ2 2(/и3а3 + тга2 + mt)__ ... (23)

\ g(2m3a3 + 2т2а2а} + т2а\ + 2тгаг + + т3 а3У С учетом относительной ширины fi

А _а<2ЧР + 2т,)_ _ (24).

'Л V g(P + 2т2а3а2 + т2а\ + р + тх + т3а\ )3 Для полигональных каналов состояние потока рекомендуется определить сравнивая htcrchi т.е. сравнивая критическую глубину с глубиной верхней части сечения :

А/ > hi„-спокойное состояние потока;

ht < hlcr— бурное состояние потока; ^ ... (25)

hi = hicr- критическое состояние потока. Все эти полученные результаты будут использованы в дальнейших исследованиях, направленных на разработку методологии расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля.

В 3 главе обобщены основные результаты теоретических и натурных исследований гидравлических характеристик каналов с трапецеидальным и прямоугольным поперечными сечениями. Полевые натурные исследования нами были осуществлены на магистральных каналах Чегемской ООС, расположенной в предгорной зоне.

Для трапецеидального канала были проведены подробные аналитические исследования ГНС, результаты которых показали, что только при определенных значениях m и fi мы будем иметь ГНС. Оно характеризуется величинами т!н =0,577 и рги =1,155. Трапецеидальный канал с характеристиками т=0,5 ...0,7 и Дя >1,155 имеет наивыгоднейшее сечение, и этот факт в 1989г был признан изобретением. Углубив по центру основание трапецеидального канала легко можно

привести его к полигональному профилю с треугольным основанием. При этом проведенные расчеты показали, что приведение трапецеидального канала к полигональному профилю обеспечивает улучшение их гидравлических характеристик.

С целью изучения каналов прямоугольного поперечного сечения и обоснования необходимости приведения их к полигональному сечению были исследованы магистральные каналы Чегемской ООС, которые выполнены с Г-образными блоками (Г-15 и Г-20) и с горизонтальным монолитным железобетонным дном. Более подробные исследования были проведены на Правобережном магистральном канале (ПМК). Рассматриваемый участок ПМК с ПК 15 по ПК 180 работает как быстроток. Поток воды в канале по всей его длине находится в бурном состоянии, характеризуется резко изменяющимся неравномерным режимом движения с высокой турбулентностью. При этом высота возникающих волн выше средней глубины воды в лотке, т.е. hb> h и превышает уровень бровки лотка. Аэрация потока приводит к увеличению средней глубины потока и уменьшению пропускной способности лотка.

На рис. 8. приведены опытные Q(hmax), V(hmax) и теоретические Q(h), V(h) кривые расходов и скоростей по двум опытным гидропостам (ПК 28-29). Как видно, из рис. 8 в результате повышенной шероховатости дна канала, волнообразования и аэрации потока глубины канала, по сравнению с проектными данными увеличились на 10-20 см, а максимальная пропускная способность уменьшилась на 3 м3/с. В настоящее время максимальная пропускная способность МК между пикетами 2752 составляет 7 м3/с. Проведенные натурные исследования показали, что дно каналов, выполненное из монолитного железобетона, по всей длине подвержено интенсивному абразивному износу и среднее значение коэффициента шероховатости п увеличилось с 0,014 до 0,025, а максимальное его значение за период эксплуатации каналов местами достигло 0,035-0,04. Этот процесс более интенсивен на участках каналов с уклонами больше критических. В результате в среднем пропускная способность каналов уменьшилась на 20% по сравнению с проектными данными. Истиранию подвергается в основном дно и степень износа по участкам с различными гидравлическими характеристиками не одинакова. Следует различать три основные зоны по характеру и интенсивности истирания 1 и 3 - вдоль борта у основания; 2 - монолитное дно (рис. 9). В большей степени на прямолинейных участках каналов истиранию подвержена 2 зона, включающая монолитный участок дна канала и донные полки Г - образных блоков.

Я=/(Итах), У=/(Итах) - в зависимости от максимальной глубины потока с учетом высоты волны, аэрации потока и повышения шероховатости облицовки; Я^Фср), У=/(Иср) - по средне-статистическим глубинам потока без учета волнообразования и аэрации.

Рисунок 8. Кривые расходов и скоростей

Причем истирание донных полок Г - образных блоков наблюдается в меньшей степени. В результате значительно возрастает шероховатость поверхности, увеличивается гидравлическое сопротивление русла, обнажается арматура и коррозирует. Более подробно были изучены и исследованы наиболее характерные участки 2 зоны на абразивный износ. По результатам исследований были построены графики интенсивности абразивного износа дна каналов в безразмерных параметрах (рис.10). На графике по оси абсцисс отложено относительное время Т/Гt - отношение 1-го рассматриваемого года наблюдения к конечному числу лет наблюдений, а по оси ординат - относительные шероховатости - отношение средней величины шероховатости к средне

невзвешенному диаметру влекомых наносов, и Хл. - отношение мак-

¿95

симальной величины шероховатости к максимальному значению диаметра наносов, поступающих в канал). Кривая 1 V г/ показывает процесс абразивного износа под воздействием средних и мелких фракций влекомых наносов,а кривая 2- Хг. = /(7у//) - процесс износа

¿95 Г*

под преимущественным влиянием крупных фракций наносов. Для большинства участков ПМК (где У>2,5м/с) процесс замедления износа наблюдался только на третьем и четвертом годах их работы, в последующие годы интенсивность износа резко возрастала и достигала до 15...20 мм/год, что хорошо видно из графиков. Дно рассматриваемых

участков магистральных каналов через 6 лет эксплуатации местами было разрушено до 70%.

Рисунок 9. Характер истирания облицовки каналов прямоугольного профиля

т,/т:

Рисунок 10. Графики интенсивности износа дна облицовки ПМК

К моменту проведения следующих наших исследований в 1999 году, после 18 лет эксплуатации облицованных каналов многие участки ремонтировались, и неоднократно восстанавливалась проектная толщина облицовки. Для повышения надежности и эффективности работы канала за счет увеличения пропускной способности, канал выполняется полигонального сечения с вертикальными боковыми стенками (т/ = 0), относительной шириной ¡5 и относительной глубиной а2. Это позволяет в условиях Чегемской ООС практически в полной мере использовать существующие стенки каналов, выполненных из Г - образных блоков и находящихся в нормальном техническом состоянии, и реконструировать (привести к треугольному) лишь дно.

На основе результатов, ранее проведенных автором исследований, для лотковых каналов полигонального профиля (рис. 11, 12 и 13) получена общая формула по определению расчетного расхода (пропускной способности)

&расч

П

1 А,[5,^(1+0,5а2)+7и,Л,]^-/^

(26)

(2^/ьни? + 2сс2 +т\ Основными критериями оценки надежности каналов служат величины пропускной способности, допускаемой скорости потока, допускаемой глубины потока и эффективности противофильтрационной облицовки. Вероятность безотказной работы канала по пропускной способности можно установить из выражения

Р = Ф

О-расч

где

ф(/) - табличный интеграл вероятности; О, расч - расчетный расход в канале, соответствующий максимальному расходу по СНиП 2.06.03.85; баш. " случайный минимальный расход; о"0 , <т0 - среднеквадра-

вш

тические отклонения ()расч и ()тт ; сгд^ - задается по объектам аналогам или рассчитывается по правилу «трех сигм», как 1/6 поля допусков. Дисперсия пропускной способности канала выражается формулой

(ВО*

\.ре

=5Х

дх, V > J1cj=x¡

дБ

(Щ^МЪМ

УдИ) \дп) " {51

о?, - (27)

Отдельные дифференциалы частного порядка в уравнении (27) определяются отдельно для каждого вида канала. Для каналов полигонального профиля мы нашли их путем частного дифференцирования уравнения расхода Q (26) по В], И], пи I

д<2 = 25 /»,[Д,^(1 + 0,5а2) + т,А,]^Д,^(1 + 0,5аО-/^

8В' 9п (2л1й^ + 2а2^\ + т22

д<2 _ 1 { [В?\\+0,5а^+ткУ )Г-

>

(2^1+^+20^1+^ У

____1_ ^[В^О+О^а^+тЛ/3-/2

... (28)

дп

(2^/1+т,2 + 2а2у]\+т^ )

К

дд _ 1 Л, [5./з (1 + 0,5а2) + т^У

...(29)

51 2п (2^7^ + 2а2ф + т22

Для оценки гидравлической эффективности работы необходимо соблюдение еще одного условия: р > рг , ... (30)

где р - фактическая относительная ширина; Рги - относительная ширина соответствующая ГНС. Автором были выполнены по вышеприведенным формулам многочисленные расчеты для лотковых каналов полигонального профиля, в т.ч. и для прямоугольных каналов, привязанных к предгорным условиям. Основные результаты расчетов сведены в таблицу 1. Сравнение полученных результатов с нормативными значениями показателей подтверждает, что по всем параметрам гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность преобразованных канатов обеспечивается с хорошим запасом.

Таблица 1. Сравнительные показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов прямоугольного и полигонального профилей_

Показатели Значения показателей

нормативных, из технических требований Фактических, по данным полевых исследований ПМК Чегемской ООС фактических, для каналов полигонального профиля по данным исследований

Вероятность пропуска расчетного расхода не менее 0,9 0,67 0,997

Вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности не менее 0,95 0,7 0,97

Максимальная глубина воды в лотке с учетом высоты волны и аэрации потока (1,5-2,0)й-фактическая макс, глубина с учетом высоты волны 1,05(/г;+Л 2>

По результатам экспериментальных исследований нами были разработаны конструктивные и технологические решения, направленные на приведение каналов прямоугольного и трапецеидального сечений к полигональному профилю (рис. 11, 12 и 13) и на устройство износостойких облицовок последних. При реконструкции существующих и строительстве новых каналов более эффективно может быть использован способ возведения лотковых каналов полигонального профиля из сборных блоков уголковой формы. Сборные элементы (рис. 13) представляют собой железобетонные блоки повышенной заводской готовности с правильной уголковой формой с вершиной по центру и с углом на вершине 120 - 158°. Оптимальные наивыгоднейшие значения заложений откосов для каналов лежат в пределах: тх = 0 ч-1,5, т2 =1,7+5,1. На основе этих условий определен оптимальный угол СС вершины сечения блока 2 в пределах ОС, = 120 + 158°. При а = 120° сборный канал имеет полигональное сечение с вертикальными боковыми откосами тя, =0, а при ОС =158° боковые стенки имеют откос с заложением тх = 1,5. Все эти параметры лежат очень близко к ГНС полигонального канала.

^ ччч \

1 ы ч _____________1

; 1п ;

...... 4

1 < к Ь1 Г 5

Рисунок 11. Схема приведения каналов прямоуг. профиля к полигональному 1 - Г-образные блоки; 2 - старое разрушенное монолитное дно; 3 - элемент нового дна; 4 - бутобе-тонное заполнение.

1 -1

Рисунок 12. Способ возведения

гидротехнического лотка с облицовкой из армированного булыжника и полимербетона

Патент № 2336390 2008г.

Рисунок 13. Канал из сборных однотипных железобетонных блоков правильной уголковой формы

Патент №2366778 2009г. Патент N«2369688 2009г.

Аналогичные исследования были проведены автором и применительно к зарегулированным руслам рек, для которых в итоге были получены оптимальные полигональные сечения и расчетные зависимости по определению гидравлических их характеристик.

В 4 главе приводятся и обсуждаются результаты натурных исследований зарегулированных участков рек и надежности защитно-регуляционных сооружений, а также способов возведения сооружений и креплений в период нарастания паводков. Более подробно освещены вопросы исследований новых сооружений и креплений биопозитивной конструкции, предложенные автором. Были изучены и исследованы более 40 проектов строительства и капитального ремонта защитно-регуляционных сооружений, осуществленных за последние 25-35 лет на горных и предгорных участках рек СК. При этом наибольшее распространение получили продольные дамбы с железобетонными креплениями следующей конструкции: сплошное гладкое крепление мокрого откоса из сборных железобетонных плит (рис. 14—1 тип); сплошное железобетонное покрытие откоса с вертикальным упорным брусом в основании (рис. 15-2 тип); сплошное гладкое крепление из сборных

железобетонных плит, состоящее из откосного и горизонтального участков крепления (рис.16 - 3 тип). Сооружения с такими креплениями были построены и продолжают строиться на многих участках рек СК. При этом необходимо отметить, что большинство из этих участков неоднократно разрушалось и восстанавливалось за последние 25-30 лет.

ггубкт рвтт^аа 1Л-Р)

Рис. 14. Гладкое железобетонное крепление откоса 1 типа

Рис. 15. Гладкое железобетонное крепление откоса с упорным брусом (зубом) 2 типа

Рис. 16. Гладкое железобетонное крепление 3 типа

Результаты проведенных исследований показали, что основными причинами разрушений являются, возникающие силы фильтрационного противодавления и деформации грунтов под креплениями. Все это хорошо видно по эпюрам фильтрационных противодавлений, показанным на рис. 14, 15 и 16.

На основании научного анализа результатов исследований автором был разработан эффективный метод регулирования русла и прибрежных зон с помощью коротких полузапруд-отбоек комбинированных и биопозитивных конструкций. Наиболее эффективными и надежными из них показали себя короткие полузапруды в сочетании с откосными креплениями и без них. Мы их назвали полузапрудами-отбойками, потому что их длина не превышает 15-20 м и они короче обычных полузапруд. Основная идея разработки полузапруд-отбоек состояла в том, чтобы с их помощью обеспечить разрушение структу-

ры паводкового потока и рассредоточение его ударной силы на большую площадь. С этой целью вначале нами были разработаны два типа отбоек. Первый тип - относительно жесткая конструкция, выполненная из Г-образных блоков (Г-20) в виде прямоугольного лотка длиной 9-12 м (рис.17). Внутри лотка в местах арматурных выпусков блоки (Г-20) были соединены между собой и замоноличены бетоном. Внутренняя часть лотка была загружена гравием и галькой.

Второй тип полузапруды-отбойки состоял из двух элементов: из жесткой корневой части и гибкой головной части, выполненной из бетонных кубов, шарнирно соединенных между собой (рис. 18). Размеры и конструкции отбоек были приняты с учетом гидрологических условий и гидродинамических характеристик паводковых потоков рек. Для натурных исследований полузапруд были выбраны наиболее опасные участки р. Терек, Баксан, Чегем, Черек, Нальчик.

На реке Терек были выбраны участки в районе города Терек выше и ниже Александровского моста. Для этих участков нами был разработан экспериментальный проект. По этому проекту для участка правого берега ниже моста в начальной части на месте старой, в большей части размытой дамбы, была построена новая дамба длиной 700м, трасса которой проходила по границе меандрирования вогнутой зоны берега с радиусом 7Ву. У подошвы дамбы было предусмотрено устройство полузапруд-отбоек 1 и 2 типов, расположенных на расстоянии 20-25 м друг от друга и с направлением против течения под углом 20° к нормали на ось потока. При этом отбойки 1 типа были заложены до линии, ожидаемой глубины размыва, а основание их корневой части, примерно на 1 м выше нее, чтобы получился уклон траншеи под отбойку в сторону русла реки в пределах i=0.08-0.1 (рис. 17). Отбойки 2 типа также располагаются с уклоном в сторону русла реки, но их основание было устроено приблизительно на средней отметке дна русла и выше уровня грунтовых вод (рис. 18). Мокрый откос дамбы также был укреплен комбинированным креплением из железобетонных плит и габи-онных тюфяков. Строительство сооружений было начато вначале 1990 г. и закончено и сдано в эксплуатацию в конце 1991 г. По ходу строительства и после окончания до 2005 г. нами постоянно велось наблюдение. У полузапруд-отбоек оборудованных наблюдательными постами, были построены карты размыва русел в горизонталях с сечением через 0.3 м, показанные на рис. 17 и 18. По этим картам хорошо виден характер размыва участков русел, что у отбоек 1 типа установились наибольшие ямы размыва русла, здесь фокусы размыва образовались непосредственно под оголовками отбоек, что и привело к возникновению деформации и повреждений в их жесткой конструкции.

Сечение 1-1

Исследования и

План hV « 2 - 2.2 м

наблюдения за работой рассматриваемых конструкций крепления были продолжены и в последующие годы их эксплуатации вплоть до 2005 года. По результатам этих исследований были построены кривые зависимости величины глубины размыва русла Ир у полузапруд-отбоек

I I IV ™ • • I /

Рис. 17.Схема работы полузапруд-отбоек 1-типа

от продолжительности их эксплуатации Т;, в годах.

А.св. №1708987 1992г.

На рис. 19 приведены обобщенные графики размыва в безразмерных параметрах, зависимости относительной глубины размыва от относительного срока эксплуатации (наблюдений) hp!Hp = f(T/T/J, Hp- расчетная глубина воды в русле, Тк- конечное число лет наблюдений. По этим графикам наглядно виден процесс размыва русла у сооружений с новыми креплениями в течение ряда лет их работы. Как видно, самыми опасными для этих креплений являются паводки первого года их работы, в период которого наблюдаются максимальные размывы русла. В последующие годы непрерывно сглаживаются ямы размыва русла и через 3-4 года они заносятся до средней отметки дна русла. Лучше показали себя полузапруды-отбойки 2 типа, у этих сооружений размыв русла через 3 года полностью прекращался, и вокруг них было все занесено наносами. В целом отбойки 1 и 2 типов сработали хорошо, они активно взаимодействовали с паводковыми потоками. В результате сработал природный саморегулирующий механизм взаимодействия потока и русла, который придал прибрежному откосу полигональную форму (гидравлически эффективную).

Параллельно были проведены наблюдения и исследования и на участке дамб, построенных с гладким железобетонным креплением 3 типа выше Александровского моста. После первого же паводка тело дамбы и ее крепление оказались во многих местах поврежденными, сильные разрушения получил горизонтальный участок крепления, состоящий из 3 рядов плит.

Для анализа причин были измерены размеры разрушенных участков креплений и величины глубин размыва русла с 1991 по 2005гг.

За этот период неоднократно разрушалось и восстанавливалось до 70 % крепления дамбы. По результатам этих исследований был построен график размыва русла (3 кривая) hp!Hp = f(T/T0, показанный на рис. 19, где хорошо виден процесс размыва и восстановления русла у гладкого крепления 3 типа. По этим графикам легко просматриваются и сравниваются процессы размыва русла у каждого типа крепления за период их работы. hp/Hp

Рис. 19. Кривые размыва русла И^НР = /(Т/Г*): 1- кривая размыва русла у отбоек 1 типа, 2 - кривая размыва русла у отбоек 2 типа, 3 кривая размыва русла у дамбы с гладким железобетонным креплением 3 типа

Сечение 1-1

Рис. 18. Схема работы полузапруд-отбоек 2-типа Патент №2076168 1997

Аналогичные исследования были проведены автором и на р. Чегем, в районе г. Чегем. На правобережном участке реки (300м) вдоль ул. Набережной в 1990г построенные по авторскому проекту полузапруды-отбойки 2 типа показали себя надежными и эффективными. Через 2-3 года эксплуатации сооружения полностью заилились и слились с естественным берегом, размываемая зона берега превратилась в заросшую кустарниками и деревьями застойную зону. И на р. Нальчик были по авторскому проекту построены отбойки 2 типа в сочетании с габионными подпорными стенками, в 2000г на участке длиной 300м. По настоящее время построенные сооружения работают надежно, вокруг них все заилилось и заросло кустарниками и деревьями.

Следующим для проведения натурных исследований защитно-регуляционных сооружений авторской разработки был принят предгорный участок р. Черек, где для защиты с. Псынабо в 2001 г были построены полузапруды-отбойки 2-го типа ступенчатой формы из габионов, усиленные арматурными решетками. И здесь они проявили себя как надежные и эффективные защитно-регуляционные сооружения, по настоящее время находятся в хорошем рабочем состоянии.

Полузапруды-отбойки второго типа, состоящие из жесткой корневой и гибкой головной частей, могут быть использованы на горных и предгорных участках рек с характеристиками: ¡—0,0015...0,025, Рг =1,25 ... 7,5. При этом длина головной гибкой части ¿2 должна быть не менее ср, Ир -глубина возможного максимального размыва русла у оголовка ниже его основания; ср- угол естественного откоса подстилающих грунтов, т.е. -С2 > 2кр (ср =25-30°). Полузапруды 1 типа выгодно располагать на участках рек, где уровень грунтовых вод находится ниже возможной глубины размыва русла. Их длина -С должна быть не менее 2НР, в любом случае €> 8м. корневая их часть врезается в откос на глубину 2-4 м. Они наиболее эффективно работают когда выполнены ступенчатой формы и наиболее высокая ступень располагается в корневой части. Корневая часть полузапруд разбивает структуру потока и создает условия для отложения наносов между отбойками. Длина ¿1 корневой части должна быть не менее длины -¿2 головной части, в среднем Л/ = (1-3) -С2, наибольшая высота полузапруды Н1 = 2/3 Нтах , где Нтах - максимальная глубина паводкового потока, а наименьшая высота у головной части Н2=1/Штах. Максимальная длина полузапруд €тах при укрепленном откосе не должна превышать 15м, т.е. ■6<15м, без крепления откоса €<20м. На прямолинейных и выпуклых участках берегов полузапруды можно устраивать без откосного креп-

ления, а на вогнутых участках, откосы должны быть укреплены биопозитивными конструкциями креплений.

Исследования, продолженные в последующие годы на всех экспериментальных участках рек, подтвердили надежность и эффективность работы полузапруд-отбоек,, которые образовали дополнительные откосы в основании береговых линий (придав им полигональную форму).

Автором также были разработаны и исследованы несколько способов борьбы с размывом берегов в момент нарастания паводков. Наиболее эффективными из них оказались следующие три способа: возведения шпор из бетонных кубов и деревьев с корнями; возведения отбоек из габионных ящиков и каменно-хворостяной наброски; возведения крепления из габионных тюфяков в период паводков.

Способ возведения шпор из бетонных кубов и деревьев был использован и затем исследован в 1997-2002 г.г. на правом берегу р. Терек в районе с. Урожайное Терского района КБР. Участок находится на границе равнинной и предгорной зон (рис. 20). Средняя длина отбоек с деревьями составляла 9... 11 ми устроены были таким образом (сверху вниз по течению), что вторая отбойка от первой располагалась на расстоянии 12 м, третья от второй - 15м, а остальные через - 18м. После паводков первого года несколько шпор пришлось восстанавливать и укреплять, а остальные сохранились в нормальном состоянии и сработали надежно и в последующие паводковые периоды. Шпоры слились с прибрежным ландшафтом и между ними откосы заросли. Результаты проведенных исследований технологий строительства отбоек показали, что на монтаж одной отбойки, состоящий из 10 кубов и 5 деревьев, тратится 18 ...20 минут. На исследуемой зоне берега для оперативной защиты размываемого участка, длиной 110м потребовалось построить 7 отбоек в течение 2 часов и 10 минут.

Сечение 1-1

Сечение 1-1

Рис. 20. Устройство шпор из бетонных кубов и деревьев с корнями

Рис. 21. Устройство отбоек из габионных ящиков и каменно-хворостяной наброски

Патент Ш016168 1997г.

Патент Ш103440 1998г.

Способ возведения отбоек из габионных ящиков и каменно-хворостяной наброски был исследован на участке левого берега р. Че-рек в районе с. Псынабо. На этом участке (длиной 70м) в паводковый период 2001 г вручную были построены отбойки из габионных ящиков и каменно-хворостяной наброски (рис. 21). Отбойки длиной 4м и высотой 1,5м были устроены на расстоянии 8-10м друг от друга. Все отбойки в основном не претерпели значительных деформаций, только корневые части нескольких из них размыл поток, и их пришлось восстановить после паводков. Исследования показали, что наиболее эффективно работают отбойки при выполнении их корневой части из каменно-хворостяной кладки. При этом нами было установлено, что на монтаж одной отбойки с устройством каменно-хворостяной наброски в ее корневой части тратится 15... 16 минут.

Способ возведения крепления из габионных тюфяков в период паводков был исследован на предгорных участках рек Черек и Чегем. Он также показал себя эффективным и надежным. В период нарастания паводка этот способ позволяет защитить и восстановить подмываемый участок прибрежной дамбы с разрушаемым креплением из железобетонных плит. После укладки габионных тюфяков в опасную зону, размывы прекращаются, и начинается переформирование прибрежного потока, поскольку крепление из габионных тюфяков имеет плавную волнистую форму, которая способствует гашению и рассредоточению динамических нагрузок паводковых потоков (рис. 22).

5 глава посвящена исследованиям селеопроводящих русел и сооружений КБР. Приводятся анализ состояния изученности селевой проблемы в КБР и результаты натурных исследований транзитных участков селепроводящих русел, в наиболее селеопасном на СК бассейне р. Герхожансу.

Патент №2320810 2008г.

Рис. 22. Устройство крепления из габионных тюфяков

1

Исследованные выше три способа борьбыс размывом берегов в период паводков можно отнести к достаточно эффективным мероприятиям, которые обеспечивают оперативное вмешательство в русловые процессы по регулированию и стабилизацию русловых процессов.

В июле 2000г по р. Герхожансу прошел небывалый по мощности и объему многофазный селевой поток, значительно превысивший параметры ранее наблюдавших селей. На город Тырныауз обрушилось 5 селевых потоков, вызвавших стихийное бедствие. Селевая катастрофа была вызвана совокупностью многих факторов, в т.ч. и тех, которые выходят за пределы 2000г. Нами были подробно обследованы транзитные участки рек Каяартысу и Герхожансу. По результатам этих обследований было установлено, что наибольшие изменения в русловых процессах рек произошли после прохода катастрофических селей 2000г. Подробно были изучены продольные и поперечные профили этих рек, анализ поперечных сечений русел, построенных в одном масштабе показал, что они в основном имеют практически полигональную форму. Самым интересным является то, что поперечные сечения по р. Каяартысу (1, 2, 6, 9,10) и Герхожансу (12,14, 16, 17) имеют четко выраженную полигональную форму, близкую к гидравлически наивыгоднейшему (ГНС), полученную нами теоретическим путем. Одно из этих наиболее характерных сечений приведено на рис. 23, где отрезки по сечению дна и откосов естественного русла показаны сплошной линией, а штрихпунктирной линией - контур ГНС. Исследованные поперечники подтвердили, что на транзитно-денудационном участке селепроводящего русла р. Герхожансу происходит формирования его наивыгоднейшего сечения естественным образом, в период схода наиболее мощного селевого потока. Последнее доказывает наличия саморегулирующего природного механизма, который работает над созданием эффективных условий пропуска селевых потоков.

Участок р. Герхожансу от устья р. Каяартысу до начала селепроводящего лотка можно отнести не только к транзитному, но и в большей части к транзитно-денудационному участку, так как при сходе се-

левых потоков в пределах данного участка интенсивно развиваются русловые процессы. При этом проявляется саморегулирующий природный механизм, который обеспечивает наивыгоднейший вариант формирования русла и пропуска селевого потока, без разрушения его структуры и при минимальных затратах энергии.

Уклон русла р. Герхожан от местоположения разрушенной плотины до автодорожного моста (в центре города) составляет ¡=0,085...О,075, ниже автодорожного моста до р.Баксан 1=0,065. Проведенные исследования и анализ пропускной способности селеносного русла р. Герхожансу показывают, что для обеспечения пропуска селевых потоков без отложения их твердой селевой массы необходимый уклон русла должен быть не менее 0,1. Автор участвовал в разработке проекта восстановления селепроводящего лотка р. Герхожансу, после схода катастрофических селей 2000 года. Генеральным проектировщиком выступил ОАО «Севкавгипроводхоз». Нами было разработано и предложено несколько вариантов восстановления лотка. Для основной части селеопасного русла р. Герхожансу были разработаны два варианта селепроводящего лотка. Первый вариант полигонального селепроводящего канала с комбинированным креплением и гибкими железобетонными ростверками был рекомендован для верхнего участка реки (рис. 24). Второй вариант селепроводящего лотка полигонального сечения со ступенчатыми подпорными стенками и треугольным основанием с гибкими железобетонными ростверками, был предложен для основного участка в районе города (рис. 25). При таком сечении селепроводящего лотка создаются благоприятные гидравлические условия для пропуска сели.

Однако за основной вариант восстановления лотка был принят прямоугольный лоток в железобетонных подпорных стенках, разработанный институтом «Севкавгипроводхоз». Только небольшой участок

ниже моста (200 м) был построен по нашему 2 варианту. И этот участок прекрасно вписался в прибрежную зону г. Тырныауза, показал себя эффективным и надежным. При этом материальные затраты на единицу длины крепления снизились более чем на 50 %, реальный экономический эффект на этом небольшом участке составил более 5 млн. рублей.

В 6 главе обсуждаются теоретические основы и методология расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля. Приводятся научные основы оптимизации полигональных сечений каналов и зарегулированных русел. Результаты многолетних исследований автора показали, что существует позитивная взаимосвязь между пространственной турбулентностью потока и полигональной формой поперечного сечения русла. Анализируя результаты исследований для полигональных каналов с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием (рис. 1.) и на основе формул (4) и

(5) были получены критерии оптимизации их сечений, выраженные через относительную ширину /? и относительную глубину а2,

Р ~Т~- 2т2а2, fr^VlW ... (31)

Формулы (31) выражают по существу основные признаки формы поперечного сечения полигонального канала, и служат критериями оптимизации его сечения. С их помощью легко выражаются основные гидравлические характеристики канала через одну переменную h¡ - глубину верхней части сечения. При этом оптимальные значения заложений откосов и их соотношения лежат в следующих пределах: m¡=0,5 ...1,5; т2=3....8; т,/т2= 1/4 .... 1/8. ... (32)

Гидравлический радиус с учетом ранее полученных формул (3) и

(6) определяется по формуле R _ ® _ \ (Р + т, +т2а22) (33)

X 2(^1 + mf +а2ф + т22) Коэффициент Шези может быть определен по формуле

^-Ifl'/o,1 / К(Р + т1 +т2сс2) (34)

Средняя скорость потока - по зависимости

u = C>/j?7^i( Mff + g», +т2аг ) yn.ui. ... (35)

п 2(^1 + т2 +а^ + т2г) Расход канала Q = cov ... (36)

В этих формулах; п — коэффициент шероховатости, который является известной величиной, / - гидравлический уклон потока, который принимается в практических расчетах равным уклону дна канала /, который также в большинстве случаев бывает известным. В данном случае коэффициент Шези С выражен через известную формулу Маннин-га, но он может быть выражен и через другие формулы в зависимости от конкретных условий прохождения канала. При наличии ширины канала понизу Ь>0, значение ширины также выражается через глубину h¡. Алгоритм расчета совсем простой. Приняв постоянные величины m¡, тп2, п, i, вначале вычисляют Д по формулам (6.2) и (6.3), затем задаваясь произвольными значениями А; (от 0 до hlMaK) определяют соответствующие им значения основных гидравлических характеристик О), x,R,C,v и Q по вышеприведенным формулам. Далее строится график функции Q=f(h¡), и по графику снимают соответствующую заданному расчетному расходу канала Qp глубину h¡ . После, уточняют все остальные гидравлические характеристики ü),X,R,C, V. Весь этот расчет можно повторить и по его результатам выбрать гидравлически наивыгоднейший вариант. Для каждого варианта гидравлического расчета определяются и технико-экономические показатели. Самым оптимальным вариантом является тот, в котором совпадают гидравлически и экономически наивыгоднейшие показатели. В противном случае, необходимо выбрать вариант канала, который будет одинаково близок к гидравлически и экономически наивыгоднейшему сечению. Для этого необходимо построить график оптимизации сечений, состоящий из функций: Q = /(- график 1 зависимости расхода от относительной (безразмерной) площади живого сечения co¡h\ ; С„ = f(co/hf) график 2 зависимости приведенных затрат (руб.) на строительство канала длиной 1 п.м. от <у/А,2 . Отношение ¿о/Л2 является постоянной величиной для каждого варианта сечения с принятыми значениями m¡, m2, и аг,р ■ При определенных значениях <ц//г,2 расход Q, принимает максимальное значение, и такое сечение становится самым гидравлически наивыгоднейшим. Вершина кривой 1 имеет участок плавного равномерного изгиба, в пределах которого расход изменяется незначительно. Образуется область, в которой несколько сечений канала могут иметь гидравлически наивыгоднейшие характеристики. В зависимости от конкретных условий прохождения канала эта область будет меняться. Поэтому на графике Q = f(co/h?) необходимо выбрать область ГНС в промежутке между значениями параметра со/А,2 по оси абсцисс, где

характеристики ГНС существенно не меняются, например, от 2,5 до 4,5. Далее вычисляют и приведенные затраты на строительство канала длиной 1 п.м.

Сп=С3+Соб+Сэ, ... (37)

где С3 - стоимость земляных работ по устройство 1 п.м. канала; Соб - стоимость облицовки (крепления) 1 п.м. канала; Сэ - приведенные эксплуатационные затраты на содержание 1 п.м. канала. Все эти показатели определяются в рублях для каждого рассмотренного варианта сечения канала в зависимости от ¿о/Л,2 . По результатам строится кривая 2 функции с„ = Дсо/Л,2) (рис.26). Проведенные аналитические расчеты показывают, что кривая 2 имеет выпуклость вниз, и при определенных значениях ^ приведенные затраты С„ принимают минимальное значение. В промежутках значений со/А2 на оси абсцисс также выбирается область экономически оптимальных характеристик, где приведенные затраты С„ существенно не отличаются на графике, в промежутке, примерно от 3,5 до 5,5. о с-

м'/с

Рис. 26. График

оптимизации полигональных сечений

Кривая 1 функции

кривая 2 функции

С„=/(®/Л,2)

ш/Ь,'

При этом, необходимо чтобы условия (31) и (32) соблюдались. Соблюдение данных условий обеспечивают относительно стабильные гидравлические режимы в канале с низкими показателями турбулентности и волнообразования.

Методика расчета оптимальных параметров сечений полигональных каналов с тремя парами симметричных откосов (рис.6.), в основном такая же, только критерии и формулы по определению их характеристик, видоизменяются. Для этих каналов на основе формул (8) и (11) критерии оптимизации сечений принимают следующий вид:

Р = — > 1т2а2 + 2тъаъ > К

кг Я

а, = —-т=

'1

А. ф + т22, \ ... (38) Л3 ^ л/ь

> „ + 7И,2

к V1 + т1

Уравнения (38) связывают все основные параметры сечения полигонального канала с тремя парами симметричных откосов в безразмерные критерии, с помощью которых упрощаются проводимые расчеты. На канал с такими параметрами (38) и наивыгоднейшими значениями заложений откосов:

т,=0...1,5; т2 =1,5....3; т3=4...8; гп]/т2 =т/т3 =1/4....1/6, (39) выдан патент на изобретение.

Гидравлический радиус при этом определяется по формуле

_ со = /»! (Д + т1 +тъ<х\ +2тгаъаг +тга\ ) ^

X 2(^1 + от,2 +а2т1\ + т1) + азЛ]\ + т*) Средняя скорость потока

о=Д| +гпъа1 +2т2а3а2 +т2а2 ) |2/з.1/2 (41)

п 2(^1 + т] +а2 ф+т2 +азА/1+т32) На основе данной методики оптимизации полигональных сечений для мелиоративных каналов полигонального профиля с двумя и тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ъ > 0 получено несколько блок-схем математической модели их расчетного обоснования. В таблице 2 приведена одна из этих схем в упрощенном варианте.

Модель расчета позволяет графически и аналитически отобразить функции С„= /{а>1 Л,2) и по ним найти минимум функции, из которых выбираем наименьшее значение С„мин.. Далее уточняем и окончательно выбираем основные параметры гидравлических характеристик канала

ц^^сцхЛ!-

Таблица 2. Блок-схема модели расчета мелиоративного канала полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ь>0

Получены и для энергетических каналов аналогичные блок-схемы модели их расчетного обоснования. В таблице 3 приведена в упрощенном варианте одна из трех разработанных блок-схем модели расчета.

Таблица 3. Блок-схема модели расчета деривационного канала полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу Ь > О

Деривационный канал имеет свои особенности расчета, связанный с подбором наиболее оптимальной скорости, обеспечивающей минимальные потери энергии по длине канала при ГНС и минимальном уклоне. Для расчета вначале задаемся параметрами ГНС канала с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием: ту, т2, а2 и р ; затем задаем еще ряд значений средних скоростей движения воды в канале ь>,, о2, и3,.......ип; а расчетный расход канала Q всегда известен. Все эти данные служат входными параметрами модели расчета.

Далее для каждого заданного значения средней скорости о, проводится весь расчет: определяются со, К, уклон канала г", стоимость потерянной электрической энергии, объемы и стоимости земляных и бетонных работ изем, С3 и и6ет, С & и в конце полные ежегодные затраты Ср Так для каждого заданного значения и1 определяется, соответствующее им значения С,- . Аналогично берутся входные данные для полигонального канала с тремя парами симметричных откосов: т¡, т2,тз, а2, а3 и р; ох,ог,иъ,.......ип. По этим данным расчет повторяется, и в конце определяются ежегодные затраты С,-.

Таким образом, по полученным результатам составляются графики функции С/ = /(о:). Программа позволяет графически и аналитически отобразить эти функции и по ним найти минимальные значения функции, из которых выбирают наименьшее значение Смин,. Далее уточняется средняя скорость и, и по ней все остальные характеристики а>,х,]1, и уклон / канала.

Более подробные блок-схемы и их описания приведены в тексте главы. Программа модели расчета позволяет графически и аналитически отобразить эти функции С„= /(© / Л,2) и по ним найти минимум

функции, из которых выбираем наименьшее значение С„ МШ1. Далее уточняем и окончательно выбираем основные параметры гидравлических характеристик канала которые соответствуют Спмин и являются оптимальными для заданных условий.

Вышеприведенная методика позволяет также оптимизировать полигональные сечения зарегулированных русел. При этом основные критерии оптимизации сечений (31) и (38) остаются без изменения и для зарегулированных русел. Только ширина по основанию зарегулированных русел Ъ определяется из условия обеспечения пропуска максимального паводкового расхода расчетной обеспеченности, без увеличения среднемаксимальной глубины Нсрмак в русле реки. Анализ результатов аналитических исследований показывает, что при проектировании зарегулированных русел, выгоднее вначале подобрать ГНС с тремя парами симметричных откосов и треугольным основанием (Рис. 6.). Затем, разрезать сечение по продольной оси, проходящей через вершину треугольного основания и добавить необходимую ширину Ъ (Рис. 27). В результате площадь живого сечения увеличивается на площадь прямоугольника соп =ЪН- Ъ\ (1 + а2 + а3).

Смоченный периметр х, соответственно увеличивается на величину Ь. Подбирается Ь из условия обеспечения расчетной пропускной способности и устойчивости зарегулированного русла, а также с

_ „„ _ учетом эксплуатационных, Рис. 27. Полигональное сечение русла с

„ экологических и других тремя парами откосов и ширинои _ „

понизу Ь>0 технических требовании.

При гидравлическом расчете зарегулированных русел по предлагаемой методике вначале принимают заложения откосов пц по условию (39). Затем определяют относительные глубины а, и относительная ширина /?. После, принимают Л у - глубину в зависимости от средней глубины потока Н0 Далее, задают несколько значений ширины Ъ из условия обеспечения пропуска возможного максимального расхода реки расчетной обеспеченности, Ъ = (0,5....0,75)ВУ. И, для каждого заданного значения Ь, определяют со их, Я С, Уи(). По полученным результатам уточняют ширину Ъ понизу сечения. Анализ результатов проведенных расчетов показывает, что пропускная способность полигонального русла увеличивается более чем на 15%, а площадь крепления уменьшается до 20% по сравнению с трапецеидальным руслом.

На основании результатов ранее проведенных исследований обобщенных в главе 2 нами была усовершенствована и методика гидравлического расчета лотка полигонального профиля. Для него получены новые расчетные формулы по определению параметров кинетич-ности потоков Пк:

- для лотка с вертикальными боковыми стенками и треугольным основанием

Пк =

аО1

В

аи

Пк.

(42)

gco2 ВЛ,(1 + 0,5а2) ghl(l + 0,5a2) 1 + 0,5а2 - для лотка с симметричными боковыми откосами т1 и треугольным основанием

Пк =

а<2г

В

аи

Пк.

...(43)

5Л,(1 + 0,5а2 + —А,) + 0,5а2 + —) 1 + 0,5а2+^-

в р р

т,

т.

С помощью формул (42), (43) и ранее полученных - (17 ), (18), (23), (24), (25) и других можно определить основные гидравлические характеристики и состояние потоков для лотковых каналов с разными полигональными сечениями и с неравномерным режимом движения воды. И на их основе выполняется методика гидравлического расчета транзитных лотков полигонального сечения с неравномерным режимом движения воды. Как видно из формул (42) и (43) значение параметра кинетичности потока в полигональном лотке Пк меньше, чем Пкпр в прямоугольном лотке. И результаты проведенных исследований показывают, что значения Пк лотка полигонального сечения на 20 -30% меньше чем Пкпр прямоугольного лотка. Соответственно, в полигональном лотке с треугольным основанием снижается турбулентность потока и стабилизируется гидравлическая структура потока.

Обсуждаемые методики, оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов и их гидравлического и технико-экономического расчетов, прошли практическую проверку и апробацию в проектных и научно-производственных предприятиях (ОАО «Севкавгипроводхоз и др.), имеют базовую основу и общие критерии оптимизации, поэтому в целом они образуют методологию расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением.

7 глава посвяшена разработке новых биопозитивных конструкций сооружений и технологий их возведения в природно-технических системах (ПТС) для регулирования русел рек и прибрежных зон. Приводятся научные основы и критерии создания биоинженерных систем, входящих в состав ПТС и обеспечивающих мягкое взаимодействие с природной средой.

Мягкого адаптивного управления природой можно добиться с помощью экологизации всей деятельности человека на прибрежных зонах. На наш взгляд, для экологизации объектов и хозяйственной деятельности человека эффективно могут быть использованы основные принципы их бипозитивности. Все новые достижения в области водохозяйственного и природоохранного строительства должны быть объединены в специальные системы, названные автором биоинженерными системами защиты и обустройства прибрежных зон. Они входят в состав ПТС, но в отличие от них они, ни при каких обстоятельствах не могут оказывать техногенное влияние на окружающую среду.

Биоинженерные системы всегда биопозитивны и способствуют восстановлению и сохранению природной среды. Новые биопозитивные конструкции и технологии строительства защитных сооружений и

прибрежных креплений, разработанные нами и частично другими авторами, объединены в биоинженерные ПТС. Подготовлены основные технические решения по выпуску сборных изделий из местных материалов: легких и тяжелых фашин, гибких тюфяков и др.

В ПТС по изготовлению изделий и возведению сооружений из них в основном используется местный материал (камыш, камень, гравий растительный грунт), который способствует сохранению влаги и прорастанию трав и кустарников в теле сооружений. На основе изделий из местных материалов автором получены более 40 новых конструктивных и технологических решений по биоинженерным системам, входящим в состав ПТС, по многим решениям получены более 30 патентов на изобретения. Часть из них приводится ниже в таблице 4.

Таблица 4. Биоинженерные системы авторской разработки для регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных зеленых зон

1. Тяжелая фашина биопозитивной конструкции и способ ее возведения

Патент N22396391 Е02В 3/12 от 10.08. 20Юг; Патент № 2369687 Е02В 3/12 10.10.2009г

2. Подпорная стенка биопозитивной конструкции и способ ее возведения

Патент №2399717 Е02ВЗ/12 от 20.09.20Юг;

Тяжелая фашина состоит из мешочков, заполненных растительным грунтом и расположенных внутри оболочки из габионной сетки и легких фашин, обернутых сеткой. Предназначена для крепления прибрежных откосов берегов и дамб, и восстановления водоохранных зеленых зон, при условиях: / < 0,01,

и, =3-4 м/с. Fr=0,8...1,5.

Подпорные стенки состоят из двух ступеней 1 и 2, которые выполнены из тяжелых фашин 3 и габион-ных тюфяков 4. На береговом откосе выше второй ступени предусмотрено крепление из гибких га-бионных тюфяков 12 и легких фашин 9. Предназначены для защиты прибрежных откосов и восстановления зеленых зон, при условиях: i=0,005..0,01, v, =2-4 м/с. Fr=0,5... 1,5.

3. Полузапруда биопозитнвной конструкции и способ ее возведения

Патент № 2336388 Е02 3/06 Бюл. №29 2008г. Патент № 2319805. 2008г.

4. Габионный тюфяк биопозитивной конструкции и способ его возведения

Патент №2369685 Е02В 3/00 от 10.10.2009г; Патент № 2406800 20.08.10).

Полузапруды биопозитивной конструкции. состоят из деревянных ряж 1, образующих ячеистую конструкцию, внутри которой устроены габионные тюфяки 2 с местным грунтом, послойно уложенных в гибкую оболочку из легких фашин 4 и габионной сетки 5. Вокруг оголовка полузапруды забиты деревянные сваи 6, соединенные между собой и прикрепленные к анкерам 8. Предназначены для регулирования русел, при условиях: i =0,0005..0,002, V, =0,5-2 м/с и Fr< 0,5.

Габионный тюфяк биопозитивной конструкции состоит из крупноячеистой сетки из металлических проволок 2, геотекстиля 3, мешков 4, заполненных растительным грунтом с добавлением семян трав и кустарников, местного грунта 5, уложенного между мешками до их верха. Поверху мешков 4 и грунта 5 устроен слой из камня 7, обтянутый сверху сеткой 8. Предназначен для защиты прибрежных водоохранных зеленых зон, при условиях: 1=0,005..0,015, и =2 -4,5 м/с. Рг=0,5... 1,8.

5. Откосное крепление из фашин биопозитивной конструкции и способ его возведения

Патент №2399718 Е02В 3/12 Е020 17/20 20.09. 201Ог; Патент №2398930

Фиг. 1

Откосное крепление биопозитивной конструкции состоит из легких фашин 1, соединенных между собой, металлических проволок 2, растянутых сверху легких фашин 1 с образованием крупноячеистой сетки, тяжелых фашин 3, уложенных сверху легких фашин 1. Поверх тяжелых фашин 3 растянута вторая крупноячеистая сетка 8 и прикреплена к анкерам 9. Предназначено для защиты прибрежных откосов от размыва, и восстановления зеленых зон, при условиях: ¡=0,0005..0,015,

= 0,7—4 м/с. Рг=0,5...1,5.

6. Способ возведения одпорных стенок из габионов биопозитивной конструкции

Патент Л&2336389 2008г.

Подпорные стенки выполнены из арматурных решетчатых каркасов 1 сборной конструкции, связанных между собой и прикрепленных к бетонным анкерам 2, устроенным в откосе; габионов 3, выполненных из специальной сетки 4, каменного заполнителя 5, и - мешков 6 с плодородным грунтом. Предназначены для защиты прибрежных откосов от размыва и обрушения, и восстановления зеленых зон, при условиях: ¡=0,005..0,015, и, =2-4,5м/с. Рг=0,5 ...2,0._

Аналогичных авторских разработок, подтвержденных патентами на изобретения, имеется еще два десятка. Внедрение этих разработок позволяет снизить материальные затраты на строительство и способствует восстановлению водоохранных зеленых зон. Со временем они зарастают кустарниками и травой, превращаются в биопозитивные сооружения, которые не вносит помех в круговорот веществ и энергии, помогают развитию природы. При внедрении и использовании предлагаемых разработок для защиты и благоустройства нарушенных земель в зоне строительства олимпийских объектов возможный экономический эффект составляет более 500 млн. руб.

Анализ результатов комплексных исследований с учетом требований природоохранного законодательства РФ и теории надежности, позволили получить относительно точные критерии надежности и безопасности защитно-регуляционных сооружений. Часть из этих критериев, соответствующих основным принципам биопозитивности и ландшафтного планирования имеют следующий вид:

1. Надежность по пропускной способности русла: вероятность безотказной работы по пропускной способности русла должна быть не менее 0,99;

2. Надежность по устойчивости сооружений и креплений: вероятность безотказной работы сооружений и откосных креплений - не менее 0,99, коэффициенты устойчивости Ку>1,15 -1,2;

3. Надежность по водопроницаемости: коэффициент водопроницаемости крепления прибрежных откосов должен быть больше коэффициента фильтрации подстилающих грунтов Кв > Кф;

4. Надежность по глубине размыва русла: максимально возможная глубина размыва русла должна быть меньше допустимой (критической) предельной глубины для проектируемого сооружения и крепления, Иг так< Идоп кр ;

5. Экологическая безопасность и эффективность: все сооружения и крепления должны быть выполнены (90-95%) из местных биопозитивных материалов и изделий, они должны обеспечивать прорастание трав и кустарников, и способствовать укреплению их корневой системы. Проектируемые сооружения и крепления в прибрежных зонах должны вписываться в естественную среду и создавать благоприятные условия для миграции и размножения рыб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе результатов комплексного анализа существующих методик гидравлического расчета каналов и русел призматического профиля принято научно обоснованное решение о необходимости разработки новых более эффективных методик проектирования и расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением. Протяженность перспективного строительства таких каналов и русел на территории АПК России составляет более 5 тыс. км. Установлено, что для каналов с полигональным сечением существующие методы расчета не позволяют подобрать с необходимой степенью достоверности оптимальные параметры их наивыгоднейших сечений. Вместе с тем, сложившиеся проблемы инженерной и природоохранной защиты прибрежных зон рек и каналов на Юге России, ставит задачу о необходимости разработки более эффективных конструкций и способов строительства защитно-регуляционных сооружений, адаптированных к местным природным условиям.

2. Рассмотрены и исследованы гидравлические характеристики каналов полигонального профиля с различным числом симметричных откосов (ш/, т2, т3, т4,...т„,) и шириной понизу Ъ > 0, получены оптимальные наивыгоднейшие сечения полигональных каналов с различными характеристиками и критериями их выбора (подтвержденные авт. свидет. и патентами на изобрет.)

3. По результатам аналитических и экспериментальных исследований найдены гидравлические критерии и параметры оптимизации

полигональных сечений, и более точные расчетные характеристики каналов и зарегулированных русел с различным числом симметричных откосов, которые эффективно влияют на увеличение их пропускной способности. Все эти факторы и условия легли в основу разработки методологии гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел полигонального профиля.

4. Осуществлен мониторинг и комплексные исследования магистральных каналов прямоугольного профиля в условиях предгорной зоны, изучены наносные и гидравлические режимы их работы, установлено влияния этих режимов на эксплуатационную надежность и гидравлическую эффективность работы каналов. Определена зависимость интенсивности абразивного износа бетонных облицовок от наносного и гидравлического режимов работы каналов .

5. На основе теоретических и полевых экспериментальных исследований получены конструктивные и технологические решения по приведению поперечных сечений прямоугольных и трапецеидальных каналов к полигональному виду. Установлено влияние полигональной формы поперечного сечения каналов на надежность и гидравлическую эффективность их работы, найдены и уточнены критерии оценок гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов полигонального профиля.

6. С учетом результатов выполненных теоретических исследований созданы новые математические модели и методика расчетного обоснования параметров энергетических каналов симметричного и несимметричного полигонального сечения с различным числом откосов и шириной понизу Ъ > О . Новая методика с разными моделями расчета позволяет использовать современные системы компьютерного проектирования каналов, тем самым обеспечить более точный выбор их оптимальных гидравлических характеристик.

7. По материалам выполненных автором аналитических исследований созданы новые методика и теоретические модели гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением и с различным числом симметричных откосов и шириной понизу Ъ > 0 . На основе этой методики с разными моделями расчета обеспечивается многовариантное решение задач с использованием автоматических систем проектирования каналов.

8.Теоретически получены расчетные зависимости и условия по определению критических глубин Ькр, параметров кинетичности Пк, состояния и режима движения потоков в лотковых каналах полигонального профиля. И на их основе усовершенствована методика гид-

равлического расчета транзитных лотков полигонального профиля с неравномерным режимом движения воды.

9. Выполнены экспериментальные исследования различных типов защитно-регуляционных сооружений, конструкции которых предложены автором применительно к условиям предгорных и равнинных участков рек СК, выявлены факторы их надежности и долговечности работы, найдены критерии оценок биопозитивности, гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности сооружений.

10. По результатам комплексных исследований разработан метод расчетного обоснования и эффективного регулирования небольших участков русел рек с помощью коротких полузапруд-отбоек и гибких откосных креплений комбинированных и биопозитивных конструкций. Предлагаемый метод был экспериментально исследован и практически использован на многих участках рек СК, при этом результаты исследований и эксплуатации показали высокую эффективность данного метода, при котором основные гидродинамические нагрузки потоков рассредоточиваются и относительно, равномерно распределяются вдоль прибрежной зоны на большую площадь; тем самым снижается размывающая способность речного потока.

11. На основе результатов полевых натурных исследований в бассейне р. Герхожансу выявлен саморегулирующийся природный механизм, который при прохождении селевого потока естественным образом формирует наивыгоднейшее поперечное сечение транзитного участка русла, который обеспечивает пропуск максимально возможного расхода селя при минимальных затратах энергии. При этом установлено, что очертания этого сечения очень близко совпадают с очертаниями гидравлически наивыгоднейшего полигонального сечения, полученное теоретически автором. И с учетом этих результатов исследований, нами разработаны новые более эффективные конструкции сооружений в виде селепроводящих канала и лотка, защищенные патентами на изобретения, позволяющие повысить пропускную способность зарегулированных русел на 25...30%. Вместе с тем, из этих сооружений селепроводящий лоток был практически внедрен и прошел апробацию на устьевом участке этой же реки в районе г. Тырныауза, где подтвердил свою эффективность и надежность работы (экономическая эффективность составила более 5,5 млн.руб. в ценах 2001 г).

12. Используя результаты аналитических и экспериментальных исследований, автором получены значения оптимальных параметров, и расчетные формулы для определения наивыгоднейших полигональных поперечных сечений зарегулированных русел с двумя и тремя парами симметричных откосов. Разработаны теоретические основы и новая методика расчетного обоснования зарегулированных русел с полиго-

нальным поперечным сечением, позволяющая снизить материальные затраты на строительство и эксплуатацию регуляционных сооружений.

13. По итогам научного анализа результатов комплексных исследований получены концептуальные решения интеграции биоинженерных систем для регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных и нарушенных зон. Разработаны и исследованы новые, защищенные патентами способы возведения биоинженерных систем, обеспечивающие восстановления нарушенных ландшафтов прибрежных водоохранных зон, и эффективно влияющие на сохранения биоресурсов рек. Многие из этих систем прошли экспериментальную проверку на предгорных и равнинных участках рек СК, где они подтвердили свои основные технические характеристики эффективности и надежности работ, теоретически предложенные автором (экономическая эффективность составила более 50 млн. руб.).

14. Результаты, проведенных теоретических и экспериментальных исследований и их научного анализа, прошли практическую проверку в проектных и научно-производственных предприятиях (ОАО «Севкав-гипроводхоз» и др.) и составили базовую основу развития теории, методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением и эффективными биоинженерными системами их креплений.

Анализ приведенных выводов подтверждает, что в рамках рассматриваемой диссертации на новом научном уровне решен комплекс проблем, связанный с необходимостью развития теории и методологии проектирования и расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением, а также с эффективными конструкциями их креплений. Разработаны и внедрены новые методы гидравлического расчета каналов различного назначения и зарегулированных русел с сечением такого типа. Предложены научные основы проектирования эффективных и биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений и их креплений, а также природоохранных технологий их строительства, адаптированных к естественным условиям. Актуальная проблема инженерной защиты прибрежных зон малых рек в работе получила новое концептуальное решение, заключающееся в создании единой системы экологизации при-родно-технических систем (ПТС) прибрежных зон. Разработаны новые более эффективные типы защитно-регуляционных сооружений биопозитивных конструкций и технологии их возведения, которые автором объединены в биоинженерные системы, входящие в состав ПТС.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Курбанов, С.О. Наносный режим каналов ООС в предгорной зоне КБАССР / С.О. Курбанов // Известия CK научного центра ВШ. Технические науки. - 1986. -№1.

2. Курбанов, С.О. К гидравлическому расчету наивыгоднейших сечений энергетических каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов, Н.В. Ханов // Гидротехническое строительство. - 2003. - №7. - С. 40-43.

3. Курбанов С.О. Проблемы надежности и безопасности работ защитно-регуляционных сооружений в условиях рек Сев. Кавказа / И.С. Румянцев, С.О. Курбанов // Гидротехническое строительство. - 2003. - № 12. -с. 21 -27.

4. Курбанов, С.О. К расчету критических глубин каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов, Н.В. Ханов // Гидротехническое строительство. - 2004. — №3. - С. 42-44.

5. Курбанов, С.О. Гидравлические условия повышения эффективности работы приливных электростанций / С.О. Курбанов // Гидротехническое строительство. - 2007. - № 2.

6. Курбанов, С.О. Расчетное обоснование наивыгоднейших сечений зарегулированных русел рек и их креплений / С.О. Курбанов // Гидротехническое строительство. -2007. -№ 1.

7. Курбанов, С.О. Основы оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов / С.О. Курбанов, Н.В.Ханов // Гидротехническое строительство. -2008. -№12. с. 27-31.

8. Курбанов, С.О. Способы защиты прибрежных зон малых рек в период паводков / С.О. Курбанов, A.A. Тутаев, Курбанов К.С. // Мелиорация и водное хозяйство, №6. - М., 2007. - с. 40- 43.

9. Курбанов С.О. Хвостохранилище Тырныаузского вольфрамо-молибденевого комбината - актуальная экологическая проблема регио-на./Шахмурзов М.М., Курбанов С.О., Ахматов М.А.// Экология и промышленность России. - 2007. - август, с. 52-54 .

10. Курбанов С.О. Эффективный способ реконструкции лотковых каналов призматического сечения. / С.О. Курбанов, A.A. Созаев // Известие Вузов. Сев.-Кав. регион. Технические науки. - 2007. - № 6. - с. 105107.

11.Курбанов, С.О. Эффективные способы защиты прибрежных зон рек в период паводков / С.О. Курбанов, A.A. Тутаев // Экология и промышленность России. - 2007. - Март. С. ..

12. Курбанов, С.О. Расчетное обоснование эффективности и надежности лотковых каналов призматического сечения / С.О. Курбанов,

A.A. Созаев // Известие Вузов. Сев.-Кав. регион. Технические науки. -2008,-№2.-С. 84-87.

13.Курбанов, С.О. Теоретические основы и экологические проблемы регулирования русел рек, каналов и водохозяйственного строительства на прибрежных зонах Юга России / С.О. Курбанов, A.A. Созаев // Юг России. Экология, развитие. -2008. -№1. - С. 99-103.

14.Курбанов, С.О. Основы проектирования и расчетного обоснования транзитных лотков полигонального профиля /С.О. Курбанов, A.A. Созаев // Вести ВолгГАСУ Сер.: Строительство и архитектура, 2010. Вып. 19(38) с. 136-142

15.Курбанов, С.О. Исследование гидравлических характеристик энергетических каналов несимметричного полигонального профиля / С.О. Курбанов // Гидротехническое строительство. -2011. — №1. с. 42 —45.

16.Курбанов С.О. Модель и методика расчетного обоснования энергетических каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов, И.С. Румянцев// Природообустройство. - 2011. - №5. С. 42-44.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

17. А. с. № 1521809 СССР МКИ Е 02 В 5/02 Гидротехнический канал / С.О. Курбанов, Н.В. Ханов (СССР) - №4241593/23-15; заявл. 08.05.1987; опубл. 15.11.89, Бюл. № 42 -4с.: ил.

18. А. с. № 1583515 СССР МКИ Е 02 В 3/12 Устройство для защиты оснований речных берегоукрепительных сооружений от подмыва /С.О. Курбанов, З.А. Озрокова, Е.А. Торшина (СССР) - №4420287/23-15; заявл. 05.04.1988; опубл. 07.08.90, Бюл. № 29 - Зс.: ил.

19. А. с. № 1631116 СССР МКИ Е 02 В 8/06 Устройство для защиты дна водосброса от абразивного износа / С.О. Курбанов, М.А. Ахматов, К.У. Туаршев (СССР) - №4620066/15; заявл. 31.10.1988; опубл. 28.02.91, Бюл. № 8 - Зс: ил.

20.А. с. № 1708987 СССР МКИ Е 02 В 3/12 Устройство для крепления берегозащитных сооружений / С.О.Курбанов, Н.В. Ханов (СССР) — заявл. 20.07.89; опубл. 30.01.92, Бюл. № 4 - 5с.: ил.

21.A. с. № 1640271 Гидротехнический канал МКИ Е 02 В 5/00 / С.О.Курбанов, Н.В. Ханов (СССР) - №4625064/15; заявл. 26.12.1988; опубл. 07.04.91, Бюл. № 13 - Зс.: ил.

22. Пат. 2076168 Российская Федерация, МПК Е 02 В 3/00, 3/12. Полузапруда и способ ее строительства/ Курбанов С.О., Тутаев A.A.; заявитель и патентообладатель Курбанов Салигаджи Омарович. №93002775/15; заявл. 11.01.93; опубл. 27.03.97, Бюл. № 9 - 6с.: ил.

23.Пат. 2103440 Российская Федерация, МПК Е 02 В 3/12. Берегозащитное сооружение / Курбанов С.О., Торшина Е.А. ; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная

академия. - №93001357/15; заявл. 11.01.93; опубл. 27.01.98, Бюл. № 2 -Зс.: ил.

24.Пат. 2188277 Российская Федерация МПК Е 02 О 17/18, 5/02 Се-лепроводящий канал / Курбанов С.О., Ламердонов З.Г., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2000127920/03; заявл. 08.11.2000; опубл. 27.08. 02, Бюл. № 24 - 4с: ил.

25.Пат. 2369687 Российская Федерация, МПК МПК Е 02 В 3/12 Способ изготовление тяжелых фашин биопозитивной конструкции / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. №2008102578/03; заявл. 22.01.08; опубл. 10.10.09, Бюл. № 28 - 7с: ил.

26. Пат. 2189420 Российская Федерация, МПК Е 02 В 5/00. Гидротехнический канал / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2000114269/13; заявл. 05.06.2000; опубл. 20.05.03, Бюл. № 14 -5с: ил.

27.Пат. 2396391 Российская Федерация, МПК Е02В 3/12. Тяжелая фашина биопозитивной конструкции / Курбанов С.О., Курбанов К.С; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2007127674/03; заявл. 19.07.07; опубл. 10.08.10, Бюл. № 22. - 5с.: ил.

28.Пат. 2202678 Российская Федерация, МПК Е 02 В 8/06. Селепро-водящий Лоток /. Курбанов С.О., Ламердонов З.Г., Созаев А.А.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2001103833/13; заявл. 12.02.01; опубл. 20.04.03, Бюл. №11 -5с.: ил.

29. Пат. 2204649 Российская Федерация, МПК Е 02 В 8/06. Берегозащитное сооружение / Курбанов С.О., Дышеков А.Х.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2000114269/13; заявл. 05.06.2000; опубл. 20.05.03 , Бюл. №14 -4с.: ил.

30.Пат. 2369685 Российская Федерация, МПК Е02В 3/00. Габионный тюфяк биопозитивной конструкции / Курбанов С.О., Созаев А.А; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2008102518/03; заявл. 22.01.08; опубл. 10.10.2009, Бюл № 28 -4с.: ил.

31.Пат. 2319805 Российская Федерация, МПК 02 В 3/02. 2008. Способ возведения полузапруды биопозитивной конструкции [Текст] / Курбанов С.О., Курбанов К.С., Созаев А.А.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2006112058/03; заявл. 11.04.06; опубл. 20.03.08, Бюл. № 8 - 5с : ил.

32.Пат. 2319806 Российская Федерация, МПК 02 В 3/12. 2008. Способ возведения биопозитивного крепления [Текст] / Курбанов С.О., Кур-банов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2006111924/03; заявл. 10.04.06; опубл. 20.03. 08, Бюл. № 8 -4с.: ил.

33.Пат. 2320810 Российская Федерация, МПК 02 В 3/12. Способ возведения крепления из габионных тюфяков в период паводков / Курбанов С.О., Тутаев A.A.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. №2005130448/03; заявл. 16.12.05; опубл. 27.03.08, Бюл. № 9 -4с.: ил.

34. Пат. 2321701 Российская Федерация, Кл.02 В 3/10. Способ возведения запруды / Курбанов С.О., Тутаев A.A.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2005139447/03; заявл. 16.12.05; опубл. 10.04.08, Бюл. № 9 - 4с.: ил.

35.Пат. 2321702 Российская Федерация, МПК 02 В 3/12. Откосное крепление комбинированной конструкции / Курбанов С.О., Тутаев A.A., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2005139449/03; заявл. 16.12.05; опубл. 10.04.08, Бюл. № 10 - 5с.: ил.

36.Пат. 2336388 Российская Федерация. МПК 02 В 3/12. Полузапруда комбинированной конструкции / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» -№2006111919/03; заявл. 10.04.06; опубл. 20.10.08, Бюл. № 29 -5с.: ил.

37.Пат. 2336389 Российская Федерация. МПК 02 В 3/12. Способ возведения подпорных стен из габионов. / Курбанов С.О., Курбанов К.С., Со-заев A.A.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2006127239/03; заявл. 26.07.06; опубл. 20.10.08, Бюл. № 29 - 4с: ил.

38.Пат. 2336390 Российская Федерация. МПК 02 В 3/12. Способ возведения гидротехнического лотка полигонального сечения. / Курбанов С.О., Созаев A.A.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2006111949/03; заявл. 10.04.06; опубл. 20.10.08, Бюл. № 29 -6с : ил.

39.Пат. 2392373 Российская Федерация Е02В 3/00. Горизонтальный дренаж земляных сооружений. / Курбанов С.О., Апажев А.К., Миша-ев Т.Р.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, опубл. 20.06.2010, Бюл. № 17.: ил.

40. Пат. 2369688 Российская Федерация. МПК 02 В 5/00. Гидротехнический канал из сборных железобетонных элементов. / Курбанов С.О., Созаев A.A.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия. - №2007123089/03; заявл. 19.06.07; опубл. 10.10.09, Бюл. № 28 -5с: ил.

41. Пат. 2399717 Российская Федерация. МПК Е02ВЗ/12 Подпорные стенки биопозитивной конструкции / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2009105324/03; заявл. 16.02.09; опубл. 20.09.10, Бюл. № 26 - 5с: ил.

42.Пат. 2399720 Российская Федерация МПК Е02В 3/00. Наслонный дренаж биопозитивной конструкции / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2008133945/03; заявл. 18.08.08; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26 - 5с.: ил.

43.Пат. 2399718 Российская Федерация МПК Е02В 3/12. Откосное крепление из фашин бипозитивной конструкции. / Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2009104906/03; заявл. 12.02.09; опубл. 20.09.2010, Бюл. №26-6с.: ил.

44.Пат. 2366778 РФ МПК Е02В 5/00 Способ возведения лотка полигонального профиля из сборных железобетонных блоков./Курбанов С.О., Созаев A.A.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25 — 6с: ил.

45.Пат. 2406800 Российскаф Федерация МПК Е02В 3/12. Способ возведения габионного тюфяка биопозитивной конструкции./ Курбанов С.О., Курбанов К.С.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-производственная фирма «Берег» - №2009104909/21; заявл. 12.02.09; опубл. 20.12.2010, Бюл. № 35 - 6с.: ил.

46. Пат. 2449079 Российская Федерация МПК Е02 В 3/12 Полузапруда биопозитивной конструкции /Курбанов С.О., Кожоков М.К., Дударова Ф.Т.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, опубл. 27.04..2012, Бюл. № 12 — 6с: ил.

Статьи в сборниках трудов, материалах научно-практических конференций и прочие публикации

47. Курбанов, С.О. Гидравлически наивыгоднейшее сечение полигонального канала / С.О. Курбанов, И.С. Румянцев //Сборник научных трудов МГУП, посвященной 90-летию кафедры Строительной Механики. — М.: МГУП, 2003. с. 9-17.

48.Курбанов, С.О. Гидравлически наивыгоднейшие сечения энергетических каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов, Н.В. Ханов // Сборник научных трудов МГУП, посвященной 90-летию кафедры Строительной Механики. - М.: МГУП, 2003. с. 25-32.

49.Курбанов, С.О. Исследование интенсивности истирания бетонных одежд каналов в связи с режимом поступления наносов в Чегемскую

ООС: отчет о НИР / С.О. Курбанов, B.C. Буруменский. - № гос. per. 01830014697, инв. № 0287006808. - Нальчик, 1987. - 92с. ил.

50. Курбанов, С.О. К расчету критических глубин селепроводящих русел и каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов // Защита народнохозяйственных объектов от воздействия селевых потоков: материалы Международной конференции по селям / - Пятигорск, 2003. с,..

51. Курбанов, С.О. Новая методика гидравлического расчета наивыгоднейших сечений каналов полигонального профиля / С.О. Курбанов, К.С. Курбанов // Минимизация вредного воздействия вод в период паводков : сб. ст. Всероссийской науч.-практич. конференции / ЗКБВУ, ДГТУ, Махачкала. - Махачкала, 2006. - С. 254-256.

52. Курбанов С.О. Методика расчета наивыгоднейших сечений зарегулированных русел полигонального профиля. /С.О. Курбанов //Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции «Паводковые потоки и водные бассейны: проблемы регулирование водотоков, безопс-ность и надежность ГТС, защита водоохранных зон», Нальчик - Махачкала, 2007.-е. 268-273.

53.Курбанов, С.О. Проблемы мелиорации и охраны прибрежных урбанизированных зон малых рек на Юге России / С.О. Курбанов // Проблемы мелиорации и воспроизводства почвенного плодородия: материалы международной научно-практической конференции / КубГАУ, Краснодар. -Краснодар, 2008.-С. 101-105.

54.Курбанов, С.О. Исследование гидрологических и гидравлических условий селеформирования р. Герхожансу / С.О. Курбанов, А.Ю. Хостов // Труды Всероссийской конференции по селям, / - М., 2007. — с. 186-190.

55.Курбанов, С.О. Некоторые особенности эксплуатации лотковых каналов предгорной зоны / С.О. Курбанов, A.A. Созаев // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007): материалы III Международной научно-технической конференции. - Том И. / КБГУ, Нальчик. - Нальчик, 2007. -С. 110-114.

56. Курбанов, С.О. Концепция экологизации водохозяйственной деятельности в бассейнах рек Юга России / С.О. Курбанов, М.А. Толгуров // Водные ресурсы и водопользование в бассейнах рек Западного Каспия: материалы всероссийской научно-практической конференции / - Элиста, 2008. с. 203 - 206.

57. Курбанов С.О. Биоинженерные системы защиты дорог и прибрежных зон от природных экзогенных процессов в зоне строительства олимпийских объектов /С.О. Курбанов, A.A. Созаев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Технологии XXI века в энергетике и транспортных коммуникациях: проблемы и перспективы». 21-25 апр. 2010 г. г. Сочи. - с. 48 - 59.

58.Курбанов С.О. Проблемы экологической безопасности и надежности защиты малых рек на Юге России./С.О. Курбанов, М.М. Шахмурзов

//Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и инновационные тенденции развития аграрной науки», посвященной 85-летию со дня рожд. проф. и чл. кор. РАСХН Джамбулато-ва М.М. ДГСХА, г. Махачкала 2010. - с. 438-442.

59. Курбанов С. О. Совершенствование конструкций и метода расчетного обоснования транзитных лотков призматического профиля./ Курбанов С.О., Созаев A.A. //Материалы V Международной конференции «Надежность и долговечность стр-ных материалов, конструкций и оснований фундаментов». Волгоград, 23-24. 04.2009г. - с. 119-126.

60. Курбанов С.О. Основы проектирования биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений из местных материа-лов./Курбанов С.О., Румянцев И.С.// Материалы VI Международной конференции «Надежность и долговечность стр-ных материалов, конструкций и оснований фундаментов». Волгоград, 23-24. 04.2009г. - с. 112-119.

61. Курбанов С.О. Защитно-регуляционные мероприятия на транзитном участке селепроводящего русла р. Герхожансу в КБР./ Курбанов С.О., Мишаев Т.Р.// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Водохязяйственный комплекс бассейна р. Терек: управление, мониторинг водных объектов, предотвр-ние вредного воздействия вод», г. Грозный 2009г.

62. Курбанов С.О. Противооползневые системы из подпорных стен и дренажей биопозитивной конструкции./Курбанов С.О., Созаев A.A. //Материалы V Международной конференции по геотехнике «Городские агломерации на оползневых территориях» ; 22-24 сентября 20 Юг, Волгоград. - с.З 87-392.

63. Курбанов С.О. Основы проектирования природно-технических систем биопозитивной конструкции по регулированию русел, защиты и восстановления прибрежных зон/Курбанов С.О., Румянцев И.С.// Материалы Международной конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения». Часть III «Безопасность гидротехнических сооружений». 2011г., Москва, ФГБОУ ВПО МГУП. - С. 121134.

64. Курбанов С.О. Монография. Эксплуатационная надежность облицованных каналов/ Созаев A.A., Курбанов С.О. // Издательство Немецкой Национальной библиотеки LAP LAMBERT Academic Publising 2012г.-с. 174.

Сдано в набор 15.02.2013. Подписано в печать 20.02.2013. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84'/16. Бумага писчая. Усл. п.л. 2. Тираж 100.

Типография ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В. М. Кокова» 360030 г. Нальчик, ул. Тарчокова, 1а

ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

ФГБОУ ВПО КАБАРДИНО-БАЛКАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ В.М. КОКОВА

0520^350921 На пРавах рукописи

КУРБАНОВ САЛИГАДЖИ ОМАРОВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ С ПОЛИГОНАЛЬНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ

05.23.07 - Гидротехническое строительство 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, про-

фессор, заслуженный деятель

науки РФ

Румянцев Игорь Семенович

г. Москва - 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ С ПРИЗМАТИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.................................................................. 11

1.1. Краткая характеристика и анализ имеющихся методов гидравлического расчета каналов призматического профиля............ 11

1.2. Способы расчета каналов на равномерный режим

движения воды..................................................................... 14

1.3. Анализ методики расчета гидравлически наивыгоднейших сечений каналов полигонального профиля по Угинчусу А.А......... 19

1.4. Облицовки каналов и надежность их работы...................... 24

1.5. Регулирование русел и проблемы защиты прибрежных зон.... 27

1.6. Расчетные характеристики устойчивости грунтов русел рек

и каналов. Критерии начала эрозии............................................ 36

1.7. Анализ расчетной модели транспорта руслоформирующих наносов и размыва русла турбулентным потоком......................... 41

1.8. Цели и задачи исследований.................................................47

Глава 2. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ......... 50

2.1. Аналитические исследования гидравлических характеристик каналов полигонального сечения с двумя парами

симметричных откосов............................................................ 50

2.2. Исследования гидравлических параметров каналов полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов.... 65

2.3 Аналитические исследования каналов полигонального сечения с четырьмя и более (п-ми) парами симметричных откосов............... 71

2.4. Исследования полигональных каналов с несимметричными поперечными профилями........................................................ 75

(К

2.5. Исследование критических глубин и гидравлических режимов работы каналов полигонального профиля.................................... 83

2.6. Выводы по 2 главе........................................................... 90

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И НАДЕЖНОСТИ КАНАЛОВ И РУСЕЛ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ И ПРИВЕДЕНИЕ ИХ К ПОЛИГОНАЛЬНОМУ ПРОФИЛЮ... 91

3.1. Программа и методика проведения исследований.................. 91

3.2. Исследование каналов трапецеидального сечения

и приведение их к полигональному профилю............................ 93

3.3. Исследования гидравлических характеристик и параметров надежности магистральных каналов Чегемской ООС................. 99

3.4. Исследования наносного режима и абразивного

износа облицовки................................................................. 108

3.5. Мероприятия по повышению эксплуатационной надежности облицованных каналов прямоугольного сечения..................... 117

3.6. Новые технические решения, направленные на повышение надежности и эффективности работы каналов............................. 125

3. 7. Аналитические исследования сечений зарегулированных русел.... 135

3.8. Выводы по главе 3......................................................... 140

Глава 4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ РЕК И НАДЕЖНОСТИ ЗАЩИТНО-РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ......................................................................... 142

4.1. Анализ проблем регулирования русел и защиты

прибрежных зон................................................................... 142

4.2. Программа и методика проведения исследований................... 143

4.3. Натурные исследования надежности работы берегоукрепительных сооружений, применяемых в практике водохозяйственного строительства на Северном Кавказе................ 145

4.4. Исследование защитно-регуляционных сооружений комбинированных и биопозитивных конструкций

авторской разработки............................................................. 157

4.5. Исследование биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений на равнинном участке р. Терек............. 172

4.6. Исследование биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений на предгорном участке р. Черек............ 176

4.7. Проектирование и расчетное обоснование полузапруд-отбоек и откосных креплений комбинированных и биопозитивных конструкций......................................................................... 177

4.8. Исследование способов возведения защитно-регуляционных сооружений и креплений в период паводков................................. 183

4.9. Вйводы по главе 4............................................................ 192

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕПРОВОДЯЩИХ РУСЕЛ И СООРУЖЕНИЙ В БАССЕЙНЕ р. ГЕРХОЖАНСУ КБР.................... 194

5.1. Анализ и общая характеристика селевой проблемы в КБР....... 194

5.2. Исследование динамики развития русловых процессов на селеопасных участках бассейна реки Герхожансу ....................... 200

5.3. Исследование пропускной способности селепроводящего лотка реки Герхожансу и надежности работы селезащитных сооружений.....206

5.4.Эффективные конструкции селепроводящих и селезащитных сооружений авторской разработки............................................. 212

5.5. Рекомендации по предотвращению возможных ЧС и повышению эффективности защиты прибрежных зон..................... 219

5.6. Выводы по главе 5........................................................... 222

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ............ 223

6.1. Научные основы и методология оптимизации полигональных сечений каналов и зарегулированных русел.............................. 223

6.2. Методика и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов полигонального профиля.........................238

6.3. Построение теоретических моделей и методики гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов полигонального профиля..........................................................248

6.4. Методика расчета лотковых каналов полигонального

профиля на неравномерный режим движения воды....................... 254

6.5. Методика расчетного обоснования зарегулированных русел полигонального профиля......................................................... 257

6.7. Выводы по главе 6........................................................... 262

Глава 7. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

БИОПОЗИТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО РЕГУЛИРОВАНИЮ

РУСЕЛ И ЗАЩИТЕ ПРИБРЕЖНЫХ ЗОН...................................... 264

7.1. Проблемы экологической безопасности природно-технических систем прибрежных зон на Юге России .................................. 265

7.2. Основы экологизации ПТС и прибрежных водоохранных зон.....271

7.3. Производство и выпуск сборных биопозитивных изделий

из местных материалов для биоинженерных ПТС.......................274

7.4. Эффективные и биопозитивные конструкции биоинженерных систем по регулированию русел........................................... 277

7.5. Эффективные конструкции биоинженерных систем по защите прибрежных зон................................................................... 293

7.6. Эффективные технологии изготовления и возведения биоинженерных систем по регулированию русел и защиты прибрежных зон................................................................... 302

7.7. Эффективные и биопозитивные конструкции и способы возведения дренажных систем земляных сооружений.................. 315

7.8. Научные основы проектирования биоинженерных систем

по регулированию русел и защите прибрежных зон...................... 323

7.9. Выводы по главе 7......................................................... 329

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 330

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 335

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................... 360

1. Справки и Акты внедрения результатов НИР в учебный процесс и в производство.............................................................361..377

2.Фотографии внедренных и исследованных сооружений....... 378..395

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Гидротехнические каналы и защитно-регуляционные сооружения являются самыми древними, распространенными и протяженными сооружениями. Вместе с тем обеспечение пропускной способности больших каналов, зарегулированных русел и надежной защиты прибрежных зон в период половодий и паводков является серьезной проблемой для многих регионов мира. Ежегодно значительные территории попадают под затопления и размыв, в результате этого причиняется огромный ущерб экономикам различных стран. Только по регионам Северного Кавказа каждый год, приносимый материальный ущерб от паводков рек достигает полутора миллиардов рублей.

Существующие методы расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел не в полной мере позволяют в процессе проектирования подобрать оптимальные параметры их сечений и разработать эффективные конструкции креплений последних. Для каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением вообще отсутствуют научно обоснованные методы их проектирования. Применяемые в настоящее время конструкции облицовок и защитно-регуляционных сооружений нуждаются в совершенствовании и адаптировании к природной среде, а также в разработке природоохранных технологий их возведения. Научная проблема состоит в необходимости:

- разработки теории и методологии гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- совершенствовании природно-технических систем с помощью биопозитивных конструкций для регулирования русел и защиты прибрежных зон с учетом геоморфологических условий рек.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» и ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова», а также согласно Межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2006 - 2010 годы, и заданию 07 «Разработка научно-методической основы и технологии экологически безопасного водопользования в АПК и

эффективного функционирования мелиоративных и водохозяйственных систем».

Цель работы заключалась в разработке методологии расчетного обоснования и проектирования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, и научных основ проектирования биоинженерных систем защитно-регуляционных креплений.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие основные задачи:

- изучить и исследовать существующие методы расчетного обоснования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, осуществить и сделать комплексный анализ получаемых результатов, на предмет их достоверности и пригодности для практического использования;

- разработать научные основы и методологию гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- исследовать гидравлические характеристики каналов с полигональным поперечным сечением и с различным числом симметричных откосов т2, тз, т^.Шг) и шириной понизу ь > о, установить влияние полигональной формы поперечного сечения канала на гидравлические условия и эффективность его работы;

- осуществить мониторинг и комплексный анализ гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел призматического профиля (прямоугольных и трапецеидальных) в натурных условиях, найти конструктивные и технологические решения для приведения их к полигональному поперечному сечению;

- выполнить экспериментальные натурные исследования надежности работ защитно-регуляционных сооружений авторской разработки в условиях предгорных и равнинных участков рек, определить факторы и критерии эффективности их работы с учетом геоморфологических особенностей и гидрологических условий мест их расположения;

- провести полевые натурные исследования на транзитном участке селепро-водящего русла р. Герхожансу с целью выявления природного механизма формирования динамически устойчивого русла с поперечным сечением, очертания которого близки к гидравлически эффективному полигональному сечению;

- разработать методологию и критерии оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов и зарегулированных русел;

- разработать методику и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов с полигональным поперечным сечением, имеющих несколько откосов различного заложения (т¡, Ш2 и тз), а также ширину понизу Ь > О;

- разработать теоретические модели и методику гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением и различным по высоте сечения числом симметричных откосов (т], т2, тз) я шириной понизу Ъ > О;

- получить аналитические зависимости для определения критических глубин, а также усовершенствовать метод гидравлического расчета лотковых каналов с полигональным поперечным сечением с неравномерным режимом движения воды;

- разработать методику регулирования небольших участков рек и расчетного обоснования параметров их наивыгоднейших поперечных сечений;

- разработать биопозитивные конструкции сооружений для регулирования русел природно-технических систем защиты и восстановления прибрежных нарушенных зон с учетом геоморфологических и гидрологических условий;

- развить теорию и методологию расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- разработать научные основы проектирования и последующего возведения защитно-регуляционных сооружений предлагаемых конструкций для русел рек и каналов, а также защиты прилегающих к ним территорий. Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- теория и методология расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля;

- методы проектирования и расчетного обоснования транзитных лотков полигонального профиля, и система оценок их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности в условиях бурного режима движения воды;

- модели и методы гидравлического и технико-экономического расчетов гидротехнических каналов с полигональным поперечным сечением различного назначения;

- методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков

русел.

- конструктивные и технологические решения биоинженерных систем регулирования русел и защиты прибрежных зон.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны научные основы и общие методологические подходы к расчетному обоснованию каналов и зарегулированных русел призматического профиля с учетом геоморфологических условий их прохождения;

- получены новые расчетные зависимости и критерии, наиболее точно характеризующие полигональные сечения и позволяющие выполнить с высокой достоверностью гидравлические расчеты каналов и зарегулированных русел;

- разработаны научные основы и методика оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов;

- разработаны теоретические модели и методы гидравлического расчета энергетических каналов с симметричными и несимметричными полигональными поперечными сечениями;

- теоретически получены новые расчетные зависимости для определения критических глубин каналов с полигональным поперечным сечением и на их основе усовершенствована методика гидравлического расчета лотковых каналов, работающих с неравномерным режимом течения;

- исследованы в натурных условиях новые типы защитных креплений и регуляционных сооружений, конструкции которых предложены автором диссертации, определены параметры и критерии эффективности и надежности их работы;

- разработаны и внедрены в практику новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел;

- предложена усовершенствованная система оценок гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел с полигональным поперечным сечением.

- на основе концепции экологизации природно-технических систем получены новые конструктивные и технологические решения, подтвержденные патентами РФ, для биоинженерных систем регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных и нарушенных зон. Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена 30 патентами, авторскими

свидетельствами и положительными решениями на изобретения Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Достоверность теоретических, разработанных автором положений подтверждена сходимостью аналитических предпосылок и результатов экспериментальных и натурных исследований, проведенных на действующих магистральных каналах предгорной зоны КБР, а также на предгорных и равнинных участках рек Северного Кавказа.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

- новые методы гидравлического