автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Сели и их взаимодействие с сооружениями



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КВАСОВ Андреи Иванович

УДК 627.141.1:551.311.21

СЕЛИ

И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С СООРУЖЕНИЯМИ

05.23.16 — Гидравлика и инженерная гидрология 05.23.07 — Гидротехническое п мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1993

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте энергетики им. Ш.Ч.Чокина (КазНИЙЭ)

Официальные оппонек и:

доктор технических наук Т.А.АлиеЕ

доктор технических наук, профессор Е.К.Рабкова

доктор технических наук, профессор И.С.Румянцев

Ведущая организация - институт "Алматыгидропроект"

Защита состоится " " ^¿-Ецг^рА 1953 г. в У 5" час.

на заседании специализированного совета Д 120.16.01 '

при Московском ордена Трудового Красного Знамени гидро-мелиоретинном институте по адресу: 127550, г.Москва, И-550, ул.Прянишникова, 19, МГМИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМИ

Автореферат разослан " 3 " 1993 г.

Отзывы на атореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять в адрес спедаализированного совета ЫГЖ.

Ученый секретарь специализированного совета,

канд.техн.наук, профессор Л.3.Яковлева

-- I -

Общая характеристика работы.

Актуальность темы п первую очередь определяется важностью общей проблем« защиты окружающей среды, рационального использования территории горних и предгорных районов, и в частности, защитой народно-хозяйственных объектов и земельных угодий в селеопасных районах. Прошедшие в 1992-1993 гг. в Казахстане, Таджикистане, Туркмении, Узбекистане, Кыргызстане, Азербайджане сели сопровождались многочисленными разрушениями и жертвами. В Казахстане возможный ущерб от селей и паводков по данным ПО "Казселезащита", стхэляет в цепах 1989 г. 657,87 млн.руб., поотому Государственной Национальной Программой рпционального природопользования Республики Казахстан предусмотрены систематические исследование селерцх процессов и разработка научного обоснования намечаемых противоселеркх мероприятий.

В последние года в изучении гидравлики селей и противо-селевнх сооружений наметились новые тенденции. Это обусловлено, с одной стороны, расширением области исследований, привлечением к решению гидравлических задач методов гщцюме™ ханики, механики грунтов, механики гранулированных сред, применением численных и "гибридных". методов исследований, а, с другой, повышением требований к комплексности, экономичности, надежности работы сооружений, учету экологических последствий противоселевнх мероприятий. Эти новые тенденции и предопределили направление разработок, цель и задачи работы. •

- г -

Цель работы - на основе теоретических, экспериментальных и натурьых исследований усовершенствовать методы распета формирования и движения селевых потоков при транспортном и тронспортно-сдвиговом процессах селеобразования, модернизировать существующие и разработать новые конструкции, создать методы расчета противоселевых сооружений на динамические нагрузки.

Основные за пачи исследований:

- изучить условия возникновения и движения селей;

- на основе экспериментов и анализа явления обосновать физическую картину удара грязекаменного селя о ^жесткую и податливую преграды;

- разработать приемы расчета противоселевых сооружений на динамическое воздействие грязекаменного селя;

- разработать упрощенные физические и математические модели движения грязекьменных и наносоводных селей; определить параметры этих моделей;

- оценить эффективность работы существующих противоселевых сооружений, подвергавшихся воздействию грязекаменных и наносоводных селей;

- разработать и обосновать экспериментально новые конструкции сквозных сооружений, селеводосбросов, дать рекомендации по их гидравлическому расчету.

Научная новизна:

- обоснованы и экспериментально проверены новые подходы к расчетам и проектированию противоселевых сооружений;

- разработано физическая схема и расчетно-тесретическая модель удара грязекаменного селя о жесткую преграду;

- разработаны математические модели, описывающие динамику ;ара грязекаменного потока о неподвижное сооружение;

- предложены расчетные зависимости для оценки удара о со-эужение отдельного камня, несомого селевым потоком;

- построены физические схемы, на основе которых выведены «¡темы уравнений, описывающих формирование и движение селе") эи транспортном и транспортно-сдвиговом селевых процессах;

- разработаны'математические модели движения грязекамешшх наносоводных селей, учитывающие возможность захвата матери-ia со дна и бортов русла, выявлены условия перерастания не--эльших селей в катастрофические;

- разработаны новые конструкции сквозных селеуловителей и здосбросных сооружений противоселевых плагин, показана прин-миальная возможность их эффективной работы;

- экспериментально обоснована целесообразность применения эдагллвых противоселевых конструкций.

Практическая ценность. Впервые предложены методы динами-зского расчета селевых нагрузок, учитывающие динамику ироцес-1 взаимодействия селя с сооружением (фронтальный удар и пос-здующее обтекание) и конструктивные особенности сооружений кеоткость, период собственных колебаний я т.д.). Такой подход эзволяег получать более обоснованное решение при проектирована сквозных селеуловителей, противоселевых конструкций.

Предложенные методы расчета движения грязекаменннх и аносоводннх селей позволяют при проектировании определить зновнке гидравлические характеристики потоков, максималь-

ные объемы и расходы, границы селеопасных территорий и необходимые противоселевые мероприятия, оценить требуемые емкости селехранилиц, конструкции и размеры селеводосбросных сооружений, обосновать уклон линии занесения селехранилища. Для внедрения научных разработок в проектную практику разработаны практические алгоритмы расчета динамического воздействия грязекаменных селей на сооружения, расчетов движения наносоводных и грязекаменных селей, составлены программы расчетов на ЭЬМ.

Разработанные новые конструкции водосбросов расширяют область применения вихревых водосбросов, повышают степень их надежности.

Практические рекомендации по эксплуатации противоселевых сооружений, изложенные в составе нормативного документа "Правила эксплуатации противоселевых сооружений. Основные положения" РД 33.-3.2.05-88 (Москва, Союзгипроводхоз), предназначены для использования бассейновыми управлениями и службами эксплуатации ПО "Каэселезащиты", Таджикселезащиты и ДР.

Внедрение. Результаты работы использовались Казахским филиалом института Гидропроект им. С.Я.Кука и Главным управлением по строительству и эксплуатации селезащитных сооружений при Совете Министров Казахской ССР (Казглавселезащитой) при проектировании и строительстве селеуловителей в ур.Медео на р.Большой Алматинке, в ур.Мынжилки, на озере Иссяк, на р. Талгер, но сзере Кольсай и др. Фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций на строительстве селеуло-

вителей составил I млн. 397 тыо.руб. (в ценах 1975-1987 гг.). Эффект получен за счет уменьшения объемов и снижения сметной стоимости строительных работ.

Метод расчета движения наносоводннх селей использовался в институте "Казгипроводхоз" при разработке "Схемы использования водных и земельных ресурсов долины Хадрамаут в что позволило разработать и обосновать схема противоселевых и протиЕоэрозионных мероприятий, оценить границы возможных зон затопления селевыми паводками.

Рекомендации по эксплуатации с еле-водосбросов протиЕОсе.чп-вых плотин, селезадерживающих и селепролускных сооружения вошли составной частью б "Правила эксплуатации противоселегнх сооружений. Основные положения" РД 33-3.2.05.-63 (Москт^.

В настоящее время результаты, изложенные в диссертации, используются службой' эксплуатации ПО Казселезащиты, научно-производственным комплексом ПО Казселезащиты при разработке нормативных инструкций и при проектировании ряда объектов.

Личный вклад в решение проблемы. Диссертация является результатом многолетних исследований автора в КазНМЭнергетики. Постановке проблемы, формулирование всех рассмотренных задач, поиск путей их решения теоретическими и экспериментальными путями, научные и практические рекомендации, их анализ, выводы осуществлены автором лично.

Экспериментальные исследования на лабораторных стендах, численные расчеты на ЭВМ выполнены аспирантами Ю.М.Никоновым и М.А.ХегаЙ при непосредственном участии и под руководством автора.

- б -

Апробация работы. Основные положения диссертационной работ^ доложены и обсуждены на международных и всесоюзных совещаниях и конференциях, в том числе на Всесоюзном научно-техш ческои совещании по защите г.Алма-Аты от селевых потоков (Алма-Ате, 1974 г.), на Всесоюзной конференции по проблемам гидравлической устойчивости (Тбилиси, 1975 г.),- на ХУ Всесоюзной научно-технической конференции по противоселевым мероприятиям (Ташкент, 1978 г.), на ХУ1 Всесоюзной научно-технической конференции по методам расчета и прогноза селевых потоков (Пальчик, 1981 г.), на XX, ХХП, ХХ1У конгрессах МАГИ (Москва, 1983 г., Лозанна, 1987 г., Мадрид, 1991 г.), на юбилейной конференции, посвященной 40-летиго основания КазНШЭнергетики (Алма-Ата, 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений" (Ленинград, 1985 г.), на научно-техническом совете Казглавселезсщиты (Алма-Ата, 1985г на П съезде гидроэкологов СССР (Москва, 1991 г.), на советск« китайско-японском симпозиуме по предотвращению природных катастроф (Алма-Ата, Душанбе, 1991 г.). Диссертация была доложена в полном объеме на заседании республиканского научноп семинара по гидравлике открытых русел и сооружений при Киевском автомобильно-дорожном институте (1989 г.), на объединенном семинаре кафедр гидравлики, гидротехнических сооружений, инженерной гидрологик и мелиорации, механики грунтов ■И!И им. Калинина (1989 г.), на расширенном семинаре лаборатории наносов, лаборатории зашиты от селей и поводков, лаборатории защитно-регулировочных сооружений, лаборатории

- 7 -

оросительных каналов САНИИРИ (1939 г.).

Степень достоверности и обоснованность выводов определятся прежде всего тем, что научные положения; лежащие в осно-е диссертации, соответствуют современным представлениям меха-ики многофазных сред, гидромеханики и механики грунтов, остоверность результатов исследований подтверждается исполь-ованием в экспериментах крупномасштабных моделей, современ-ой измерительной аппаратуры и специально созданных средств эмерений, оценкой достоверности экспериментов, совпадением езультатов численных расчетов по разработанным мопеллм с нр-ависимыми натурными и экспериментальными данными, апробацией езультатов работы на различных уровнях.

Связь диссертации с планом НИР института. Диссертационная абота является составной частью исследований, выполненных под уководством и при непосредственном участии автора по 22 те-ам, включая работа по заданиям 08.02. и 06.02.02 проблемы .85.01 плана Н1ЮПКР ГКНТ СССР <1975-1988 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 26 ечатных трудах, опубликованных в виде двух монографий, в атериалах международных и всесоюзных совещаний и конференций, пециалиэированных тематических сборниках. Получено 9 авторс-их свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит з введения, семи глав, заключения, списка использованной итератур* из 253 наименований и приложения. Она изложена на 00 страницах машинописного текста и содержит 98 рисунков, 3 таблиц.

- 6 -

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении излагаются цель и задачи исследований, отмечаются их актуальность, научная новизна и практическая направленность; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе I - "Опыт проектирования и научного обоснования проектов противоселевых сооружений" - анализируется на примере селрздщиты г.Алма-Аты эволюция представлений о природе селевых явлений района и необходимых противоселевых мероприятиях. Обоснование проектов было тесно связано с господствовавшими на том или ином этапе представлениями о природе селевых явлений, их масштабах, механизме зарождения селей. Так, сель 1973 г. на р. М.Алматинке внес значительные изменения в представления о природе грязекаменных потоков данног< района. Сель 1973 г. не вписывался в рамки господствовавшей в то время "гидрологической" концепции, согласно которой сели в Заилийском Алатау на 65-80 % состоят из воды. Соотношение воды и наносов в селе 1973 г. и в искусственных Чемол-ганских селях на порядок меньше (0,25 Еместо 2,3), чем это еле,дует из "гидрологической" концепции. Тем самым опровергнута основная гипотеза "гидрологической" концепции о существовании некой предельно допустимой концентрации наносов, ограничивающей предел насыщения селей до субъективно назначаемой величины плотности потока 1,4-1,7 т/мэ. Этот вывод кардинальных! образок менял подход к проектированию противоселе-еых сооружений. Изменилось представление об аккумулирующей

способности сквозных и глухих селеуловителей, динамическом воздействии селя на преграду, необходимости противофильтра-ционных устройств и водосбросных трактов, сроке службы селе-хранилищ и др.

Динамике взаимодействия селя с сооружением посвящены роботы В.И.Гевзадзе, Г.Юерхеулидзе, П.С.Непорожнего, М.С.Га-гошидзе, О.Г.Натишвили, Г.М.Беручашвили, Д.В.Бичиаивили, И.И.Херхеулидзе, Л.Д.Сохадзе, З.С.Иорданишвили, Л.А.Сулакпе-лидзе, Н.М.Мамедова, У.М.Миряазаде, С.М.Амирджанова, А.Д.Ах-медзаде, Ф.Ф.Ибрагимова, М.Б.Байнатсва, Н.Сува, С.Окуда и пр. Обсуждаются достоинства и недостатки рекомендаций различных авторов, причем основное внимание в работе уделено достижениям последних лет. Использование в проектной практике большого числа расчетных формул для определения ударного воэдеРст-вия селя, свидетельствует о сложности задачи и незавершенности ее решения. Это стимулирует разработку новых, более совершенных методов оценки селевых нагрузок, основанных на более общих расчетных схемах и учитывающих импульсные .давления. В заключение главы формулируется постановки задачи исследований.

В главе 2 "Экспериментальные исследования движения селей и их воздействия на сооружения" рассматриваются результаты лабораторных экспериментов. Приведено описание лабораторных установок, измерительных приборов и аппаратуры, методики и точности измерений. Основные результаты опытов, обработанных в диссертации, получены на селевых стендах. В экспериментах фиксировались: нагрузки на сооружения; подвижка (податливость) сооружения; скорость и высота фронта селевой волны; осред-

- 10 -

ненное и пульсационное .давление от селей на дно лотка; нагрузки на дно нижнего бьефа при переливе селей через гребень сооружения; изменения уровней свободной поверхности потока в отдельных створах; величина и характер отложения селевой массы на разных уклонах; скорости движения и уровни свободной поверхности потока при обтекании отдельных препятствий и сооружений.

На стендах селевая масса разгонялась до определенной скорости " ""нтактировала с преградой (жесткой или податливой), снабженной датчиками давлений и перемещений. Усилия, испытываемые преградой при торможении селеЕОй массы, оценивали по деформациям отдельных пластин. Метод измерений и регистрирующую аппаратуру выбирали в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями - линейность, стабильность, отсутствие динамических искажений, взаимная увязка частот изучаемого процесса с частотными характеристиками элементов измерительной цепи. В качестве чувствительных элементов использовали полупроводниковые тензорезисторы, вторичных преобразователей - тензометрические усилители типа ТА-5 и ПА-1. Давление селевой массы измеряли также мехвнотронами типа £МДх1Е и 6Мх2Б. Погрешность измерения давления мехэнстрсном составила 1,5 Регистрирующей аппаратурой служили шлейфные осциллографы Н-ТОО и К 12-22. Подвижку преграды измеряли с помощью датчика реохордного типа. Погрешность измерения перемещения составила 1,5$. Скорость движения селевой массы в моменг подхода к преграде определяли по схеме прерывающихся контактов, а также герконовыми .датчиками с электронным цифровым

таймером. Высоту волны фиксировали струнным волнографом в десяти точках одновременно, использовался также и ультразвуковой измеритель уровня потока. Сигналы от всех датчиков записывали на осциллографах синхронно, что позволяло в каждом опыте проследить последовательное изменение во времени всех регистрируемых величин.

Автором анализируются условия физического моделирования удара селя о преграду, при этом учитывались основные, определяющие процесс параметры: j3g - средняя плотность селевой пассы до удара; р, - плотность различных фракций селевой мас-гы; d- - характерные линейные размеры твердых частиц; бязкссть

^ и прочностные свойства селевой массы ^ ; скорость соударения Vg ; характерные линейные размеры селевого потока Л я сооружения L,f , модули упругости селевой массы и материалов конструкции противоселевых сооружений, г - период ;обственных колебаний конструкции. Внешние массовые и поверх-устные силы учтены ускорением силы тяжести р и атмосферным давлением Ро . Физическое уравнение задачи представлено ! виде:

f(hX ,J>0, d.t, b,*t. т, L,, E. ,/>lti. P,)*o.(D

Саждый из приведенных физических пареметров выражается через юновные единицы измерения: .длину, массу, время. В результа-•е анализа размерности имеем 9 безразмерных пи-членов, свя-¡анных функцией (JCf, Я^, ffjf...,jlj) = 0. В качестве не-ависимых по размерности переменных приняты ti, V„ , , а ункциональная связь безразмерных кожлексов получена в виде:

,/ А MA fix* ft ti fiX2 л к/ лкг\ п!0,

Ч ~Г ' - > " . ' — < —> —— ' — --»-) -0\<)

' di 4i h Ei А /А pc J

- 12 - ■ , I

/г ЛУо

Два последних критерия Ft и -у— одновременно не могут выполняться, т.к. из последнего критерия вытекает, что скорос-

М Н

ти на модели и в натуре должны быть одинаковыми при j>g = ре Поэтому эксперименты проводились на крупномасштабных моделях, скорости соударения достигали 9,2 м/с, нагрузки - 600 II, высота фронта селевой волны - 70 см, плотность до 2210 кг/м3, диаметр датчика, воспринимающего удар, изменялся от 10мм до 50мг

Исследования сил, развивающихся при ударе, позволили выявить две взаимодействия потока с неподвижным сооружением: а) удар переднего фронта селевой волны; б) воздействие основного тела селевого потока (обтекание сооружения). Некоторые эпюры воздействия грязекаменного селя на жесткую преграду приведены на рис. I. Наиболее характерен, свойственный подавляющему большинству опытов, вид эпюры, показанный на рис. 1а. Встречаются в опытах эпюры с несколькими скачко-' образными подъемами и падениями давления (рис. 16,в,г). Эти пилообразные нагрузки появились, видимо, вследствие неплоско-параллелыюго удара. Для сопоставления на рис. I д,ж приведены эпюры нагрузок от селя на жесткую преграду, измеренные ПО "Казселезащита" в.Чемолганском эксперименте 1991 г. Вид этих эпюр практически не отличается от полученных нами в лабораторных опытах.

В наших экспериментах фиксировались три характерные эпюры динамических нагрузок на податливые (деформируемые) преграды. Они совмещены и приведены на одном рисунке 2. Здесь же показан образец записи величины перемещения прегра-

Рис.1. Некоторые экспериментальные эгторы воздейдтэил грязе-каменного селя на жест:<уп преграду: а, б, в, г - лабораторные опыты; д, яс - натурные данные ПО "Каэсолеэащита". I - 2000 кг/м3; г - /гв -1900 кг/м3; 3 -/>„» 1780 кг/м3; 4 -/0* 1900 кг/мэ; 5 - -1860 кг/м3; б 2000 кг/м3;

?-/>„" 1600 кг/м3; 8 - -1800 кг/м3; 9-/2,- 1780 кг/м3; Ю -" 1980 кг/м3;II - -2000 кг/м3; 12 -Л- 1650 кг/м3; 13 1700 кг/м3; 14 -Л -1700 кг/м3.

Рис.2 Характерные опюры динамических нагрузок на податливые (деформируемые) преграды

Рис.3. Эпюры нагрузки на подвижную преграду с пригружаемкл селем понуром: а) короткий понур; б) понур оптимальной длины; I - р0 » 2003 кг/'м3; 2 - рс * 1960 кг/;/3; 3 -_/>„» 1750 кг/м3; 4 - - 2000 кг/м3; 5 - р0 = 1800 кг/м3.

- 15 -

ды. Первая эпюре соответствует случаю большой жесткости преграды, когда величина удерживающих преграду сил (трение селя о понур, натяжение тросов и т.п.) превышает силы динамического воздействия потока. Имеем случай удара селя о жесткую преграду в начале предполагавшейся подвижки (деформацией -податливостью сооружения можно пренебречь). Вторая эпюра относится к случаю подвижки оптимально упругого сооружения и характеризуется плавным увеличением нагрузки, рост которой сопровождается постепенным перемешением преграды. Максимальная величина динамической нагрузки в этом случае уменьшилась в 2-2,5 раза по сравнению с нагрузкой на жесткую преграду. Третья эпюра - случай удара об излишне мягкую (в смысле упругости-жесткости) преграду. Под действием селевой волнч преграда начинает смещаться, а динамические нагрузки на нее почти не возрастают, и только когда сооружение упирается в ограничитель (удерживающие тросы натянуты до предела) сель как бы догоняет сооружение и воздействует на него. Крайний случай рассмотренной эпюры - перемещение идеально подвижной преграды, когда удар о жесткую преграду происходит не в начале подвижки (первый рассмотренный нами случай), а в конце ее.

На рис. 3 приведены эпюры давления на преграду, выполненную в виде подвижной стенки с понуром. Перед ударом селя о преграду понур пригруяался движущейся селевой массой, затем следовал удар селя о сооружение, при этом сооружение начинало двигаться вдоль русла. В результате такой подвижки сооружения удар селя "размазывался" во времени, а величины максимальных динамических нагрузок на преграду существенно снижались.

- 16 -

Наши эксперименты свидетельствуют о безусловной эффективности подвижки (деформируемости) сооружения с целью снижения динамических нагрузок. Этот вывод хорошо согласуется с данными Б.И.Ядрошникова, получившего в натурных условиях для снежных лавин снижение величины лавинных нагрузок за счет податливости сооружения в 2,5 раза.

В работе приводятся результаты экспериментального изучения движения селей в недеформируемых и деформируемых руслах, обтекания сооружений и препятствий, занесения селехранилиц.

В глаьь С "Расчеты движения грязекаменных и наносоводных селей" анализируется физическая схема образования и движения наносово1шых и грязекаменных селей, формулируются математические модели, начальные и граничные условия, сопоставляются численные расчеты с натурными данными, обсуждаются результаты численных экспериментов.

Согласно современным представлениям о природе селевых явлений (Ю.Б.Виноградов, В.И.Тевзадэе, В.М.Лятхер, Т.Г.Войнич-Сяноженцкий, А.М.Мухамедов, А.И.Шеко, Т.Х.Ахмедов, Б.С.Степанов, А.Даидо, Т.Такахаши и др.) сели формируются в ситуациях двух типов: I) при переходе в запредельное состояние (сдвиге, обрушении) водонасыщенного потенциального селевого массива и последующем течении в русле обрушившегося грунта (сдвиговый селевой процесс); 2) при перерастании водного потока в селевой за счет размыва дна и бортов русла (транспортный и транспортно-сдвиговый селевые процессы).

- ?7 -

Сдвиговый процесс селеобраэовяния подробно освещен в работах Ю.Ь.Виноградова, В.И.Тевзадзе, В.М.Лятхера и Н.Г.Крп-шилава, С.С.Григоряна, Г.М.Беручашвили и др. Разработаны строгие расчетно-теоретические и математические модели зарождения и движения потоков высокой плотности. ТранспортныП и транспортно-едЕИГовый селевые процессы разработаны менее детально. Известные рекомендации носят, как правило, региональный и полуэмпирический характер, расчетные модели в ряде случаев чрезмерно упрощены, не отражают физической картины процесса в очагах селеобразования и поэтому не применимы для решения ряда практически важных задач.

Проведенный в работе анализ натурных и лабораторных экспериментов, работ других исследователей позволил оценить действующие силы, их влияние на динамику процесса и тем самым обосновать вид и форму уравнений сохранения и импульсов для разрабатываемых моделей селевых процессов. При транспортном и транспортно-сдвиговом процессах селеобразования поток рассматривается как тело переменной массы и плотности, движущееся в размываемом русле. Как форму обобщения натурных и лабораторных данных по транспортирующей способности наносоводных селей диссертант использовал предложенную К.И.Россинским, П.А.Кузьминым и В.К.Дебольским связь мутности потока с его гидравлическими параметрами в виде: £ » / (У/н"'33) . Эта связь построена по данным Г.К.Синявского, И.И.Херхеулидзе, Е.К.Рабко-вой, В.Г.Санояна, В.С.Кнороза, Х.А.Исмагилова, Р.Г.Вафина, С.Э.Ээимова и В.Л.КоробоЕа, И.Я.Боярского, И.П.Смирнова, Ю.Б.Виноградова, М.С.Коляда, результатам наших наблюдений

- 18 -

и охватывает насыцение потока до 2000 кг/ма, скорости течения до 8,2 м/с, глубины потока до 6,0 м. Критерием перехода от водного потока к селевому является условие возникновения течения поверхностного слоя грунта толщиной, равной диаметру частиц самоотмостки русла Л • Диссертантом предложена система уравнений, описывающая перерастание водного паводка в селевой и движение наносоводного селя (транспортный процесс селеобразования в виде:

д/г

"дЬ Гн } дВ

, / е \ д и / е , НИ >

дг 1 / г,п Ь ди „ дЬ 7

(4)

1 д'и и2 чи- и-Гж'«' Г и*е \9к

л(1^.1 р. * Йь^ьи^.»

3 [Г, Г,Ч г г. М

е-/(и/»'-").;

«,«1 . (б)

£

Тс (/Гн~Гж)+Тж ; е ~

!ГН

(7)

а__(у. _ ~ \ + 1к •

Переход от транспортного к транспортно-сдвиговому селеобра-зованию начинается с потери устойчивости (перехода в запредельное состояние и течение) под воздействием селя слоя русловых отложений толщиной А . По схеме транспортно-сдеигового зарождения.селя процесс вовлечения в движение (захват) донных отложений при прохождении фронта потока "размазан" по длине и во времени и учитывается введением распределенного источника массы в уравнение баланса мессы. Уточненная автором система уравнений, описывающая транспортно-сдвиговый процесс селеобразования имеет вид:

ж1^* ■ Л™*" (9)

К и пи И г , д у

I М.ШФ + ±-А- {ейсо) =о . (11)

Здесь: Ь - время, 6 - координата вдоль русла, -

проекция скорости частиц в потоке на ось В , осреднен-ная по поперечному сечению, (о(в,Ь) - площадь живого сечения, (6) - ¡лирина русла, Л » - - глубина потека,

и

хр (6) - наклон русла, д - ускорение силы тяжести, К -коэффициент гидравлического сопротивления, X* - гидравлический радиус, р - плотность, ^ - вязкость, р. - коэффициент кулоновского трения, £ - мутность потока, Рп коэффициент пгристости грунта, - объемный вес, С - коэффициент 1Пези, к' - интенсивность инфильтрации; —— (€ ЫО)}-

V г„ д(

- 20 -

объемный расход твердой фазы, захватываемый потоком.

идту при. -^--(12)

' 3 ' * • /и/здсозу/ к

~ \ Л

/идску/-^ при. л

где г^ - прочность на срез слабейшего из .трущихся материалов (поток-русло). Вязкость определялась при транспортном селе-образовании по формуле Муни, при транспортно-сдвигоЕоы - по формуле В.И.Тевзадзе.

Запредельное состояние и течение несвязного грунта (по В.М.Лятхеру и Н.Г.Квашилава) возникает: а) при достижении в отдельных слоях грунта предельного состояния; б) при появлении кинематической возможности течения, т.е. если площадки по которым пойдет течение грунта станут параллельный! дну. Условия возникновения наносоводного селя определены как нарушение равновесия слоя водонасыщенного грунта толщиной поверх которого находится слой воды глубиной . В работе приведены также формулы, определяющие условия возникновения течения слоя грунта толщиной Л, при движении водного паводка или селевого потока по сухому руслу или по водонасыщенно-му слою русловых (доннь'х) отложений.

Для транспортно-сдвигового процесса принято, что на (¿роите толщина слоя, вовлекаемого в движение материала равна нулю и скорость фронта совпадает со скоростью частиц на фронте. За фронтом располагается зона постепенного разрушения дна и нарастания толщины потока. В этой зоне захват русловых от-

- 2Т -

логений учитывается посредством введения распределенного источника массы ^ в уравнение движения. Выражение для ^ получено из допущения, предложенного С.С.Григоряном, что ;штенсивность захвата массы в данном сечении определяется общей нагрузкой Р, передаваемой движущимся потоком на донные (русловые) отложения. Как только эта нагрузка, складывающаяся из гидростатической и динамической составляющих, превзойдет некоторое критическое значение , характеризующее прочностные свойства русловых отложений, начинается разрушение поверхности дна. Давление Р определяется по зависимости:

Р = созу-к + скиг*1псс), (13)

где СО = алсЬд ) 1 & (в, I) - текущая толщина разрушающегося слоя донных отложений; Ск - константа.

Ч-л^ш пРир-р* (и)

г при Р > Р,

*

параметр, характеризующий степень уплотнения материала при разрушении, принят постоянным.

При транспортно-сдвиговом селевом процессе поступление дополнительного материала ^ в селевой поток происходит: а) за счет разрушения и вовлечения в движение русловых отложений грязекаменным селем ^ ; б) за счет обрушения подмытых селем откосов и бортов ; т.е. ^ = ^ . Величина ^ определяется по зависимости (14), величина рассчитывается

не специальной подпрограмме "Откос". Если подрезанный селем и обрушившийся откос имеет небольшую высоту, то оползневая масса рассматривается как рассредоточенный источник массы, а условия захвата не учитывают прочность этого грунта.

В качестве численного метода решения применяется хорошо разработанная и апробированная при решении ряда задач гидродинамики и динамики лавин схема Лакса-Вейдрофа. Для рас четов по предлагаемой методике помимо параметров, характеризующих геометрические условия движения (продольный профиль, поперечные сечения), задавались еще и значениями эмпирических коэффициентов и параметров. Задача сводилась к подбору такой комбинации эмпирических коэффициентов, которая дала бы приемлемое совпадение расчетных и экспериментальных результатов по дальности продвижения селя, его объему, профилю отложений, изменению средних скоростей движения по длине расчетного участка.

Тестовые расчеты показали, что коэффициент [ь влияет, главным образом, на дальность продвижения селя, а коэффициент К - на средние скорости потока. Однако это влияние неоднозначно. В каждом конкретном случае (уклон и геометрия русла, характер и объемы донных отложений, объем ПСМ, .форма селевого лавинного тела и т.п.) влияние конкретного параметра может изменяться. Так, меняя только форму переднего фронта селя, при неизменном объеме потока, получим существенно отличное решение - медленный сель становится быстрым, распластанный поток - самовозбуждающимся за счет захвата массы и т.д. Самый важный вывод кз тестовых расчетов сводит-

- 23 -

ся к тому, что для каждого селевого русла может возникнуть такая комбинация условий ( ^ г у к, г* , ^ " т.д.), которая приводит к появлению катастрофического селя. Такая "резонансная" комбинация будет различной для каждого русла и ее появление носит вероятностный характер. Однако определяющее звено в этой' "резонансной" комбинации - член , который может проявиться как сосредоточенный приток или распределенный источник массы, его величина и время появления во многом предопределяет характер движения селя, перерастание потока в катастрофический, либо, наоборот, затухание и распластывание.

Принят следующий порядок расчетов. Задаваясь некоторой комбинацией значений параметров определяется дефор-

мация русла после прохождения селя в предположении, что

= 0. Затем по подпрограмме "Откос" оценивается для характерных створов устойчивость подработанных селом откосов и определяется возможный объем оползневого материала - источ-никовый член , привязанный и определенному створу. И, наконец, вшолняется расчет продвижения селя с учетом боковой приточности - члена . При этом в соответствии с принятой схематизацией считается, что обрушившаяся часть склонового массива мгновенно разругается и превращается в "гипотетическую" жидкость, которая ."течет" и увлекается движущимся селем. Неясным остается вопрос о времени поступления бортовых оползней в поток. Задаваясь различным временем поступления а получим разные результаты, поэтому по-

добные расчеты носят вероятностный характер, но они позволяют оценить максимально возможные объемы и расходы селей. Для проверки работоспособности моделей использовались материалы натурных экспериментов на р.Чемолган, опытов И.П.Смирнова на р.Чимбулак, обследования по следам селя 1973 г. на р. М.Алматинке, наши наблюдения на вади Хадрамаут и другие данные. Полученные данные позволили однозначно подобрать коэффициенты К,т/Т(«- в »«тематической модели. Подобраны следующие значения коэффициентов К «= 0,02, =0,5 , Т„ - 3-10ч Па

~ - - - з ;

при этом расчетный обьем.селя 1973г. составил 3,62 млн.м (фактический - 3,8 млн.м3), средний уклон поверхности отложений в селехранилище Медео: расчетный - 0,016; фактический -0,017; средняя скорость движения фронта селевой волны в створе при входе в селехранилище составила 9,6 м/с. По данным Ю.Б.Виноградова, средняя скорость движения фронта селевой волны составляет 8,2-10,4 м/с.

Аналогичные расчеты выполнены .для Чемолганских опытов 1972 г., 1973 г., 1975 г., 1976 г., 1978 г. полученные значения к ,7 ¡и довольно близки по сроим значениям к параметрам, подобранным для селя 1973 г. на р.М.Алматинке. Проведенные расчеты и сопоставления свидетельствуют, что принятая схема комбинирования экспериментов и численного моделирования может быть использована для оценки параметров гркзекаменных и наносоводных селей в рамках предлагаемой модели.

В главе 4 - "Ударное воздействие грязекаменного селевого потока на противоселевые сооружения" - обосновывается новая гипотеза механизма формирования нагрузок но сооружение и

- 25,-

новые методы расчета ударного воздействия селей.

В основу этого раздела положена гипотеза, что нагрузки на преграду определяются прочностью ударяющейся селевой массы. Хорошо известно, что при ударе льдин о преграду максимальное удельное давление, как правило, соответствует прочности ледового образца по испытаниям на одноосное сжатие (Нилл Р.К. и др.). Эта аналогия и используется .для определения максимальных ударных селевых нагрузок.

Упрощенная схема удара гряэекаменного селя о жесткую преграду составлена диссертантом по аналогии с явлением гидравлического удара. Рассматривается изменение массы и количества движения в выделенном отсеке за время =

= £2- Ь> и, следуя Р.Р.Чугаеву, составлены уравнения неразрывности и количества движения в виде:

А = !>(/,-/>„) ■ (14)

= Руд ■ <15>

Здесь: ро,_р1 - плотность селевой массы до и после удара;

]/ - скорость соударения; 3 - скорость распростренения возмущения (повышенного давления); Руд - давление в селевой массе после удара.

Для замыкания системы уравнений (14,15) используем гипотезу о равенстве давления в селевой массе давлению на преграду, т.е. Ру$ . Напряжения, возникающие в селевой массе при ударе характеризуются динамической диаграммой сжатия водонасвденного и аэрированного грунта. Особенностью рассматриваемой диаграммы является то, что ска динамическая,

- -

т.е. определяется скоростью изменения нагрузки (скоростью соударения) и физико-механическими свойствами - водо-и воэ-духотсыщением, грансоставом, плотностью - селя. Следовательно для получения этой диаграммы нельзя прибегнуть к тра-диционнному для механики грунтов способу - исследованию на стабилометре под статической нагрузкой деформаций грунта. При остановке селя свойства селевой массы резко изменяются -уменьшает^« ^оздухонасыщение, структура, пористость, плотность и т.д.Поэтому необходимую для оценки ударных нагрузок динамическую диаграмму ударяющейся селевой массы находим комбинированным путем. Примем, как это следует из опытов Н.Д.Красникова, что динамическая диаграмма сжатия селевой массы водонасыщенного грунта описывается эмпирической зависимостью:

Руд- А + ВЛ + С/, * £>/ . (16)

Из совместного решения (14,15,16) еле,дует:

Л + (17)

* (А (78)

"О

где ^ соответствует .давлению на препятствие. Задача формулируется следующим образом. Используя экспериментальные данные по у,дару селя о твердую стенку, подобрать такие коэффи-центы А, В, С, Е уравнения (16), которые бы при подстановке в систему (14), (15) давали решение для нагрузки Руд , совпадающее с полученным из эксперимента. Опыты обрабатывались

- 27 -

следующим образом. С экспериментальных осциллограмм снимались величины максимальных давлений и скоростей соударения, , которые затем наносились на график Р = f(V0 ,/>„) «а ркс. 4. Зависимость Р~}(У0,рд) рассчитывалась по формулам (14)-(18) подстановкой в них найденных значений коэффициентов А,В,С,Е. Результаты обработки экспериментов по удару селя о жесткую преграду приведены на рис. 4. В области скоростей удара до 4,5 и/с имеет место большой разброс экспериментальных данных. Определяющим в выборе коэффициентов уравнения (16) было хорошее совпадение с экспериментами в области больших скоростей соударения. Уравнение состояния было подобрано в виде комбинированной ломаной линии: прямая - пол слом третьей степени. Начальный участок дкаграшы сжатия (дая J>„ = 1700 кг/м3) в диапазоне изменения плотностей 1700 кг/м3 ^ J)„ 1880 кг/м3 описывается прямой, вторая часть диаграммы в диапазоне плотностей 1880 кг/м3 « J} < 2350 кг/м3 описывается полиномом третьей степени (16). Для J3g = Г700 кг/м3 А = 33883,02837-, В = -25184,51237.Ю3; С = -3371,86933.Ю6; Е = 38I9.I8828.I09;

В расчетах при скоростях соударения /0 » 1,0 м/с плотность селсвой массы после удара Jtt превышает р - 1880 кг/м3, т.е. практически использовалась только Еторая часть диаграммы сжатия, описываемая полиномиальной зависимостью. Это де уравнение состояния селевой массы было аппроксимировано моделью грунта Г.МЛяхова, в которой вид динамической диаграммы сжатия определяется объемным содержанием в грунте газообразного cct , жидкого и твердого Л3 компонентов. Эгя параметр!.' и были подобраны: А, = 0,2;

Рис.4 Сопоставление рекомендуемых зависимостей Я = = f(VgyJ>) с опытными и натурными данными по удару селя о преграду: I - опыты ГрузНИИГиМ; 2 - опыты автора; 3 - данные японских авторов; 4 - опыты ААСИ; о -данные Казселезациты; jie= 1,70-Л? J>0~ 2,40-Ю- рекомендуемые зависимости " соответственно для fi0~ -1700 кг/А.-Л = 21»00 кг/к3-

оС2*= 0,254; = 0,546. Обе кривые, описывающие динамическую шаграмму сжатия селевой массы по уравнению (16) и по мо-1ели Г.М.Ляхова приведены на рис. 5.

По изложенной вше методике определения ударных нагрузок были обсчитаны известные экспериментальные данные динамического сжатия грунтов, заимствованные из работы Н.Д.Красикова (кривые 7,3,4). Расчеты ударных нагрузок по рекомен-йуемой методике и диаграммам сжатия грунтов, взятым в качестве уравнения состояния, приведены на рис. 6, где показаны также рекомендуемые зависимости .для =1700 кг/ы3, 2400 кг/м! и экспериментальные данные ГрузНИНГиМ, МОИ, Каэселеэащиты, японских авторов. Получено вполне удовлетворительное совпа-цение с экспериментальными и натурными данными, особенно для кривой 4 - песчаного грунта нарушенной структуры. На рис. 7 приведены заимствованные из работы Н.Д.Красникова графики Р- у (9) , дополненные нашей кривой Р= у (О, = 2400 кг/м3). Получено.вполне удовлетворительное качественное совпадение. Рекомендуемые зависимости сопоставлялись и с данными натурных измерений снеголавинных нагрузок, пересчитанных на единицу плотности. При экстраполяции рекомендуемых зависимостей для скоростей соударения более 10 м/с они удовлетворительно согласуются с натурными измерениями лавинных нагрузок. Для практических расчетов удара камня, несомого селевым потоком, рекомендуется формула:

п 6 и ''х Кк

Рис. 5 Динамическая диаграмма сжатия селевой массы для 1,70 -103кг/м3 1 - кривая по ур.9; 2 - модель Г.М. Ляхова ск^ 0,2; 0,254; СС} = 0,546; 3 - модель Г.М.Ляхова с 0,1; &= 0,417; ос, -. 0,483 (для сопоставления)

!,7-/03

АГ-Ш3

Рис.6 Сопоставление зависимостей рассчитанных по динамическим диаграммам сжатия грунтов, приведенных {Г.Д.Красниковым, с рекомендуемыми зависимостями, опытными и натурными данными

ч'

«. «

1,

ч, '

1

% ] /

1 Ь V

0 * / .£,__ ПГ !> рги а о. (М Л т А 9 а о.1

Рис.7 Диаграммы сжатия грунтов: 1-5,7 - динамического; 6 - статического; 1-4,6 - для песчаных грунтов; 5 - для лессовидного грунта; 1-7 - данные Н.Д.Красникова; 8 - рекомендуемая зависимость

Изменение янтигст в

полученная диссертантом из теоретической зависимости Л.Б.Гре-щука для силы удара сферического у.царника о неподвижную мишень. Значения коэффициента л", определены непосредственно из экспериментов, при этом наши опыты были дополненны результатами крупномасштабных экспериментов А.И.Песова, Н.М.Рой-

нишвили, японских авторов.

*/ » , (20)

о

где А'/ - коэффициент в формуле (20) при ^ в н/м ; Гх - 1782,6 н0'4 м-0'6; Г2 = 82,26 н°'4с-м~1,6; Гэ -

= 1,487 н0'4 Л"2«6 (1,0 м/с « У0 4 30 м/с).

В главе 5 - "Численное моделирование удара грязекаменно-го селя о неподвижную преграду" - получено решение нестационарной задачи соударения фронта селевой волны с жесткой стенкой.

Теоретические исследования удара о преграду капли воды, снежной лавины и т.д. развиваются в двух направлениях. Первое, разрабатываемое проф. А.Л.Гонором, В.Я.Яковлевым, Е.Г'.Пик-Пичаком и др., исходит из предпосылки, что при соударении необходимо учитывать сжимаемость жидкости и можно пренебречь влиянием объемных сил, вязкости и поверхностного натяжения по сравнению с силами давления и инерции. Ко второму направлению можно отнести работы Т.Е.Ланга, Р.Л.Брауна, М.Мартинел-ли и др. по удару снежных лавин. В этом случае решается система уравнений неустаповившего движения гипотетической вязкой жидкости. В диссертации рассматриваются обе модели. Модель сжимаемой жидкости с усложненным уравнением состояния

- 32 -

описывается системой уравнений неразрывности, движения и энергии в виде:

,да дь-,

<И дх ¿Ь =" ду '

Ж £ , ди> . = " Р''1х * Ту") •

Здесь х, у - координаты соответственно вдоль сооружения и

вдоль подстилающей поверхности; и , I/- - соответствующие компоненты скорости; Р - .давление; Е - внутренняя энергия на единицу массы; р - плотность селевой массы. Для селевой массы (грунта в водонасыщенном состоянии) уравнение состояния было аппроксимированию предложенной А.Л.Гонором и Е.Г.Пик-Пичаком зависимостью

Р сС-а+6 Я б — = - + - (—) +

Рс > + с л 1-е У/ (22)

! г с& а 26 1 (\'*с

где - начальная плотность селя; Р0 - атмосферное .давление, а,в,с, & - коэффициенты, найденные из физического эксперимента .

Система уравнений (21) и (22) дополняется начальными и граничными условиями. В начальный момент времени внутренняя энергия, плотность и скорость определяются соотношениями Е=Е0, А'^оч . ^ = 0. В качестве граничных исполь-

зуются условия непротекания на преграде и подстилающей поверхности, на свободной поверхности потока давление равно

- 33 -

атмосферному. Определяющими критериями задачи являются скорость соударения ис , начальная высота фронта селевой волны HQ, и физико-механичсские характеристики селевой массы J)0, а, 6, с, Л, Р„ , с, , Тд .

Решается система уравнений (21) и (22) методом сквозного счета по явной, однородной, полностью консервативной разностной схеме, разработанной А.Л.Гонором и Б.Я.Яковлевым. Особенность разностной схемы - использование квадратичной искусственной вязкости ^ , что позволило размазать разрыв (фронт ударной волны) на конечное число расчетных ячеек в зависимости от величины коэффициента Ар

I ау — #>«. <гз>

1« = I dft

О , если 0 .

dt

где $ - площадь шейки; /¡f - коэффициент, его величина подбиралась так, чтобы размазать фронт ударной волны на 3 -4 ячейки.

Линейная вязкость использовалась для сглаживания осцилляции давления несвойственных физической картине явления- и перевода энергии колебаний во внутреннюю энергию среда. Коэффициент линейной вязкости определялся из соотношения:

- 34 -

Здесь х и р - константы; 0,1 4 X & 3, 0<_/3«4, шаг интегрирования; С0 - скорость звука.

Введение квадратичной и линейной вязкости (так называемой "псевдовязкости") - искусственный прием, позволивший проводить сквозной счет ударных воин без явного выделения их на сетке. Использование псевдовязкости приводит к необходимости решать систему уравнений движения вязкой сжимаемой жидкости с коэффициентами вязкости, определяемыми из соотношений (23) и (24) в виде:

¿Р (¡V ,

-тг+Р (-г- + — )= О = дг**' , дг** ;

а дх ~ дх ду

^ ду ~ дх ду ' / (И дх ду ' ~ *** дх + Ьу ду

. „ (да J да ) . ¿-а+6 а б , о г

* по 7^Пр0) Г + -¿у) ■

ди

'Рл

- 357-

дУ

(25)

Здесь гхж , гХу , туу - компоненты тензора искусст-

венных вязких напряжений.

Достоинство модели - возможность в зависимости от величины коэффициентов А, %, ^ определяющих псевдовяэкость, получить за скачком плавное распределение давления и подобреть решение системы (21) совпадающее с заранее заданным. В рассматриваемом нами случае это наперед заданное решение было получено из физического эксперимента.

Вычисления производятся в следующей последовательности. Используя значения давления, внутренней энергии к скоростей, полученные в результате интегрирования уравнений движения на предыдущем шаге или из начальных данных, вычисляются узловые ускорения. Вновь полученные ускорения применяются для вычисления новых значений координат узлов расчетной сетки. В заключение процесса счета на одном шаге интегрирования вычисляются значения давления и внутренней энергии ячеек, а также

из необходимых условий устойчивости определяется величина

. п. +1

следующего шага интегрирования &г .

Были выполнены специальные проработки, позволившие оценить влияние на конечные результаты расчетов скорости соударения, начальной плотности ударяющейся селевой массы, выбора уравнения состояния селевой массы (коэффициентов а , б , с , (I ), коэффициентов псевдовязкости, формы переднего фронта ударяющейся селевой волны, числа ячеек в разностной сетке а * П и некоторых других параметров. Результаты численных

- 36 - I

расчетов показывают, что процесс удара имеет четко выраженный волновой характер. На рис. О приведены графики изменения давления во времени для нескольких расчетных случаев с уравнением состояния селевой массы, подобранный в соответствии с нашими рекомендациями. Здесь.обозначены: I - и0 = = 30 м/с; уЗо = 2400 кг/м3; 2 - Че = 30 м/с; = 1700 кг/м; 3 - и0 = 20 м/с; = 2400 кг/м3; 4 - ¿^=15 м/с; = = 2400 кг/м3; 5 - ид = 15 и/о, = 1700 кг/м3; 6 - и0 = = 10 м/с, = 2400 кг/м3. Графики, приведенные на рис. 8, показывают, что динамику удара определяет окорость соударения й начальная плотность ударяющейся"селевой массы. Фронт нарастания давления характеризуется-длительностью (в безразмерном виде) = 0,02-0,04. Фронт спада, а также общая продолжительность удара обусловлены начальной плотностью селевой массы у^ , скоростью соударения и меняются в большом диапазоне значений = Нв ' £ Р'^р . Расчеты показывают, что при постоянной увеличение скорости соударения и.д приводит к увеличению абсолютных нагрузок, уменьшена безразмерной продолжительности удара и изменения очертаний эпюры нагрузок. На рис. 9 представлены расчетные давления на преграде Р- /(х/Н^ и на подстилающей поверхности Р«/(у/Н0) . Здесь обозначены: Чс = 10 м/с, /0 = 1700 кг/м3; I - в 0,06; 2 - = 0,10; 3 - = 0,15. Изобарц давления в теле селевой массы при ударе о преграду селя о = 2100 кг/м3 и ие = 10 м/с показаны на рис. 10. Здесь обозначены: а) Ь = 0,05; I - Р = 14.105Па, 2 - Р =

Рис.8 Изменение во времени нагрузок от селя на преграду (численное расчеты)

ч\ \ ч \ Л \ д * у

3? \ Л \ Р-Н?,Па

/2

"12

15

(

41 I ■3

'V, > v

ОЛ

Рис.9 Расчетные давления на преграде (а) и на подстилающей поверхности (б) в различные моменты времени

О.

иг 2.0 уШ.

со чз

0.3 0,7 ОЛ

о,г 0.1

" А 1

'-о—г \

1

! *

о.! о.г о.г у!н0

0.1 ол ол ол Рис.10 Расчетные изобары давления в теле селевой массы а различные моменты воеменк

- зв -

- 13-Ю^Па; 3 - Р - 12.Ю5Па; 4 - Р - П-Ю^а; б) * - 0,06; I _ р « 14'Ю^Па; 2 - Р * 13Л05Па; 3 - Р - 12.105Па; 4 - Р -« 1М05Па.

Анализ эпюр давления показывает, что ударные нагрузки изменяются во времени в соответствии с предложенной гипотезой -максимальные давления формируются ударной волной. За ударной волной следуют волны разгрузки и разуплотнения, после чего начинается обтекание преграды селем.

Второй подход,основанный на решении уравнений движения вязкой гипотетической жидкости,более полно учитывает физико-мехянические свойства ударяющейся селевой массы. В этом случае взаимодействие селя с преградой описывается следующей системой уравнений неразрывности и движения:

Ж * ш

Ла дР /д2и дги,

' Ть+1р}

п Лу дР , д*г ¿V,

Замыкается система уравнений (25) уравнением состояния селевой массы ((6) и эмпирической связью вязкости ^ со скоростью соударения и, . Решение полученной системы должно удовлетворять условиям непротекания на преграде и подстилающей поверхности и условию равенства давления на верхней границе селя атмосферному давление. Составлены соответствующие начальные и граничные условия. Задача решается численно методом С.К.Годунова в подвижной сетке. Используется сетка с фиксированным шагом по оси х и переменным шагом по оси)

- 39 -

По координате х область ограничивается на расстоянии / от стенки и разбивается на кг частей. Шаг Лу определяется по формуле С.К.Годунова. При расчете распадов разрывов волны малой интенсивности заменяются характеристиками, а условия на них - условиями на характеристиках, сильные волны рассчитываются по точным формулам.

• При анализе результатов численных экспериментов отмечается, что если уравнение состояния, записанное в виде (16) получено из физических экспериментов, то эмпирическая зависимость = ^(«^подбирается путем численных расчетов таким образом, чтобы максимальное значение .давления совпадало с максимальным давлением, измеренным в физическом эксперименте. При этом из условия равенства Р,^.^. -вязкость изменяется более, чем в два раза: при и,е = 4 м/с, Ц - 15 Па.с, а при 11в = 10 м/с, = 35 Па-с, для » =1700 кг/м3, а сама модель довольно чувствительна к изменению вязкости - при и0 = 10 м/с ^ = 1700 кг/ма £ = 6 На.с Р = 42-Ю5Па, при ц = 30 Па.с Р = ПЛ05Па. Из приведенных в работе графиков Р=/ ^ ,ид , видно, что в начальный момент удара при внезапной остановке селя возникает фронт ударной волны и как следствие - большие градиенты давления на преграде. Затем давление постепенно начинает убьгеать - это связано с появлением волны разгрузки (разрежения), которая распространяется вглубь ударяющейся селевой массы.

Пригепенные материалы и графики свидетельствуют, что полученные расчетным путем зависимости Р- у (ро) ¿¿„У со г ля суют-

ся с экспериментами, проведенными в ГрузНИИГиМ, ААСИ, натурными .данными Казселезащиты и японских авторов, нашими опытами и данными о нагрузках от снежных лавин. Это говорит о том, что принятые допущения обоснованы, а обе разработанные модели в целом удовлетворительно описывает динамику удара селя о преграду.

Картина течения, полученная в результате численных расчетов, дает полное представление о развитии процесса удара селя о преграду и позволяет количественно оценить величины возникающих нагрузок.

Е главе б "Анализ работы противбселевых сооружений, подвергавшихся воздействию селей" - Дана оценка эффективности небольших сооружений в Заилийском Алатау и противоселевых плотин в провинции Хадрамаут (НДРИ). Расчеты показали, что сквозной металлический селеуловитель у турбазы Торельник" при прохождении селя 1973 г. подвергся нерасчетным нагрузкам в 14,054'10 Па, при этом выступающие вперед наклонные раскосы испытывали силу М = 140,6 т, что превышало их несущую способнбсть. Поэтому, естественно, сооружение у "Горельника" было разрушено. Отмечается также недостроенность сооружения, неудачное его расположение на повороте русла, нарушение принципа равнопрочности составляющих конструкцию элементов -слабым звеном являются раскосы, в то время как балки и ригеля выдерживают нагрузки в несколько раз больше, чем расчетные для раскосов.

Эксперименты, проведенные на размываемой модели плотины Мынжилки (I очередь) подтвердили отмеченное ранее В.М.Лятхе-

- 41 -

ром, наличие двух типов размыва каменно-набросных плотин. Первый - когда разрушение начинается со смыва габионов непосредственно с гребня плотины; второй - нарушение общей устойчивости низового откоса плотины вследствие фильтрации и инфильтрации. В наших экспериментах наблюдался четко выраженный второй тип разрушения, что хорошо согласуется с данными В.М.Лятхера. В диссертации приводится критический анализ работы каскада стабилизирующих запруд в логу Диком, сквозного селеуловителя на р. Акжар. Анализ работы проти-воселевых плотин в долине Хадрамаут (НДРЙ) позволил выявить особенности размыва периодически действующими селевыми паводками воздушно-сухих глин и суглинков, служащих заполнителем крупнообломочных пород. В этом случае образуется водоустойчивая корка толщиной от нескольких миллиметров до 2-3 см. Аналогичную схему размыва описывают А.И.Шеко и В.С.Кру-подеров. В заключение главы отмечается, что мелкие противо-селевые сооружения позволяют успешно решать самые разнообразные задачи как в комплексе с крупными селехранилищами, так и самостоятельного характера.

В главе 7 "Исследования противоселевых конструкций", -излагаются результаты лабораторных исследований сквозного селеуловителя на р.Талгар, водосбросов противоселевых плотин в ур.Медео, в ур.Мынжилки (П очередь), на р.Б.Алмятинке, на оз. Иссык, на оз. Кольсай, оценивается экономическая эффективность рекомендуемых методов расчета и конструкций сооружений. Приведенное в работе сравнение экономических показа-

- 42 -

телей свидетельствует о безусловной эффективности сквозных селеуловителей. Стоимость задержания I м3 селевой кассы обходится в ценах 1989 г. для сквозных сооружений 0,76 руб/м3 -1,84 руб/м3 (р. Иссык, р. Кайназаровка, п. Красный Восток); для глухих - 2,33 руб/м3-5,09 руб/м3 (Кедео П очередь, Мынжилки П очередь). В работе даны рекомендации по усилению построенных сквозных сооружений конструкции И.И.Херхе-улидзе с помощью амортизаторов-блоков из отработанных автошин, устанавливаемых на напорную грань селеуловителя. Для плотины на р.Талгар предложена новая конструкция сквозного селеуловителя, выполненная из вертикальных и горизонтальных стержневых элементов, образующих рамную конструкцию, при этом сель задерживается на вертикальных или наклонных решетках, установленных на податливые амортизаторы, а сквозность решеток убывает (уменьшается) вниз по течению. Достоинством такой конструкции является постепенность гашения энергии селевого потока на каждой из решеток, т.е. используется идея постепенного поглощения энергии удара, что позволяет повысить несущую способность сооружения и снизить его материалоемкость. На эту конструкцию оформлена заявка на изобретение, она принята к строительству.

Устойчивость нижнего бьефа при переливе селя через гребень сооружения включает: а) оценку устойчивости крепления; б) оценку устойчивости грунтового массива в основании -определение условий перехода его в запредельное состояние и течение. Для обработки лабораторных опытов по оценке динамического воздействия селя на дно при переливе через гре-

бень сооружения автором предложены две гипотезы. Согласно пир-вой определяющими процесс факторами являются скорость соуда- ' рения ир , плотность селя , линейная характеристика селевого потока Ае и вязкость селевой массы ^ . Вторая гипотеза основана на предположении, что динамику воздействия на дно нижнего бьефа определяет наряду с /0,ив,Ье прочность отдельных сосгавляицих селевой массы или те допустимые напряжения, которые селевая масса способна воспринимать <?с ; вязкостью же здесь модно пренебречь. Из пи-теоремы следует:

\

«яч-г^г/* . ^

•Го

Здесь: Лнв / МнВг - селевые нагрузки на дно нижнего бьефа соответственно по первой и второй гипотезам. Путем обработки наших лабораторных экспериментов были' получены значения Х4 и /4 ; -1,71 « 4 -1,17; при ХАер =-1,35;2Д4 < У « 3,75; при у4 =3,09.

Надлежащая устойчивость сооружения при переливе селя может быть обеспечена устройством конгрзапруды, выполненной в виде заглубленного под уровень дна русла порога. Наиболее целесообразным является устройство не одного, а целой системы (3-5) порогов, стабилизирующих русло в нижнем бьефе. Устойчивость донных порогов обеспечивается соответствующим заглублением всей конструкции, наличием связей ее с самим проти-воселевым сооружением, повышением плотности укладки грунта в ни-шем бьефе, дополнительным креплением нижнего бьефа пля-тш.«!, соответствующим подбором состава грунтов обратно!'! за-

- 44' -

сыпки, устройством дренажа, установкой порога на фундамент из буронабивных свай. Эти мероприятия рекомендованы диссертантом и использовались в различных сочетаниях при строительстве противоселевых сооружений. Б заключение главы излагается экономическая эффективность и результаты внедрения рекомендуемых методов расчета и конструкций сооружений. Расчет фактического экономического эффекта и документы, подтверждающие эффективность и внедрение рекомендаций приведены в приложении.

ЗАКЛЮЧИВ® .

Основные выводы, полученные на основе проведенных теоретических, экспериментальных и натурных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

I. Обобщен опыт эксплуатации, проектирования и научного обоснования проектов противоселевых сооружений, что позволило выяеить основные недостатки существующих конструкций и методов расчета. Установлено:

- существующие приемы расчета противоселевых конструкций на селевые нагрузки не учитывают динамику процесса соударения грязекаменного селя с сооружением, расчет выполняется на статическую нагрузку;

- современные методы расчета противоселевых сооружений на динамические нагрузки требуют иной, чем общепринятая постановка задачи - изучения эпюр динамических нагрузок в зависимости от параметров ударяющейся селевой волны и конструктивных особенностей сооружения;

- 45 -

- существующие конструкции сквозных селеуловителей и водосбросов противоселевых плотин несовершенны и нуждаются

в модернизации;

- при моделировании удара селя о преграду все критерии подобия одновременно не выполняются, что затрудняет проведение экспериментов.

Б результате выполненных экспериментальных исследований на крупномасштабных установках с применением современной измерительной аппаратуры получены новые данные, дополняющие и уточняющие существующие сведения о движении селевых потоков, обеспечивающие развитие и более точное решение задач взаимодействия селей с жесткими и податливыми преградами, задание краэЕых услсвий, апробацию и уточнение различных расчетных зависимостей.

3. Разработаны модели формирования и движения наносовод-ных и грязекаменных селей применительно к транспортному и транспортно-сдвиговому процессам сслеобразования. Модели отражают основные черты, свойственные селям - нестационарный характер движения, наличие гидравлического, вязкого и куло-новского трения, возможность захвата материала со дня и бортоЕ русла, инерционное сопротивление захватываемого материала и пр.

4. Адекратность предлагаемых моделей реальным процессам движения грязекаменного и наноссводного селей подтверждается совпадением измеренных в натуре и рассчитанных параметров потоков. Численные расчеты показали, что в зависимости от величины и времени зсхврта селем материала со дна и бортов русла мсгет возникнуть такая комбинация условий, которая

- 46 -

приводит к появлению катастрофического селя.

Б. Экспериментально изучен удар селя о жесткое и податливое противоселевые сооружения. Установлено, что определяющими здесь являются иклульсные нагрузки, которые, как показала практика, для противоселевых конструкций нередко являются разрушавида!и. Разработанная расчетная модель учитывает динамику процессе взаимодействия селя с сооружением (фронтальный удар и последующее обтекание) и конструктивные особенности сооружения (жесткость, период собственных колебаний и т.д.).

6. Эксперт/,ентально установлено; что при поцвитке проти-воселевого сооружения величина селевой динамической нагрузки на него существенно уменьшается. Рекомендуются приемы расчета противоселевых сооружений, учитывающие особенности

их работы и подтвержденные опытами на моделях разного масштаба.

7. Теоретически динамика соударения грязекаменного селя . с жесткой преградой изучена с помощью математической модели, модифицированной нами применительно к удару селя. Численное моделирование позволяет оценить максимальное .давление на поверхности контакта и последующую динамику удара, т.е. в конечном счете перейти к экономически обоснованному проектированию.

8. Разработаны новые конструкции сквозных селеуловителей и водосбросов противоселевых плотин, защиценные 9 а.с. на изобретения. Внедрение этих конструкций и рекомендуемых методов расчета позволило получить при проектировании и строительстве фактический экономический эффект I млн.397 тыс.руб. (в ценах 197Б-1969 гг.).

- 47 -

Приведенные выводы свидетельствуют, что в ремкэх рассматриваемой диссертации разработан комплекс расчетных методов, позволяющих с единых позиций механики многофазных сред на современном научном уровне решать задачи, относящиеся к проблеме проектирования, строительства и эксплуатации противоселевых сооружений в условиях Республики Казахстан.

. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование шахтного водосброса селезащитной плотины-Медео // Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. -Алма-Ата, 1975. Был. 13. - С.165-192 (в соавторстве).

2. Гидравлические исследования водосбросных сооружений селеуловителя на р.Б.Алматинка // Проблемы гидроэнергетики

и вопного хозяйства. Трупы института Энергосетьпроект. - М., 197'0. - С.140-146 (в соавторстве).

3. Исследования сбросных сооружений селеулавливающих плотин 1 / Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1979. С.144-151 (в соавторстве).

4. Исследования катастрофического водосброса селеуловителя Мынжилки ,/' Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1961, С.46-130 (в соавторстве).

5. Некоторые результаты изучения, гзаимодействия модели сооружения со смесью, имитирующей селеЕОй поток // Проблей,; протилоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1931. - С.61-73.

•Г'изико-геогрзфические и инженерно-геологические условия фор^роебния селевру паводков в бассейне врди Хадрябнут (Н/|Р1!),'/

- 48 -

Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1984. С.215-221.

7. Современное состояние и анализ работы противоселевых сооружений в бассейне вэди Хадрамаут (НДРЙ) // Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1984. - С.88-95.

8. Гидравлический расчет вихревого водосброса // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике / Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений. - Л., Энергоатомиздат, 1985. - С.161-163 (в соавторстве).

9. Развитие представлений о природе селевых явлений и характере необходимых противоселевых мероприятий в районе

г.Алма-Аты // Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1986. - С.6£-71 (в соавторстве).

10. Селевые потоки и их воздействие на сооружение. Алма-Ата, 1987. - С. 131.

IT. Гидравлические исследования водосбросных сооружений селеуловителя на озере Иссык // Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1968. - С.103-110 (в соавторстве).

12. Водосбросы противоселевых плотин. Алма-Ата, 1989. -С. 147 (в соавторстве)..

13. Удар грязекаменного селя о сооружение // Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1990. - C.I44-I8I.

14. Моделирование разрыва высохших селеносных русел кратковременными паводками // Гидротехническое строительство 1991. - V 7. - С.13-14 (в соавторстве).

15. A.c. У 935559 (СССР). Вихревой шахтный водосброс.

19(31 г. (в соавторстве).

16. A.c. .V I055I92 (СССР). ВихреЕой итвхтный водосброс. I9F2 г. (в соавторстве).

17. A.c. Г- IIIÖ095 (СССР). Вихревой шахтный водосброс. I9Ö3 г. (в соавторстве).

18. A.c. № 1257135 (СССР). Вихревой тахтшй водосброс. 1984 г. (в соавторстве).

19. A.c. )Р 1359402 (СССР). Гидротехнический водосброс. 1986 г. (в соавторстве).

20. Вихревой перепад-гаситель на озере Кольсай // Научно-техническая конференция на тему "Водохозяйственное строительство и экологические проблемы / Тезисы докладов. Тбилиси,

1991. - С.118 (в соавторстве).

21. Туннельный водосброс // Заявка на изобретение У

Т 4829774/15. Приоритет от 29 мая 1990 г. Решение о выдаче авторского свидетельства от 28.11.1991 г. (в соавторстве).

22. УстоГчивость вихревого движения в шехте с тангенциальным подводом вода //' Тезисы докладов Всесоюзной конференции по проблемам гидравлической устойчивости 19-21/XI-7*5г. Тбилиси. - 1975. - C.14-I5. (в соавторстве)

23. Исследование водосбросов на гидроузле на озере Исоык // 1огышение,эффективности мелиорируемых яег?ль и водохозяйственное строительство.' Материалы докладер (февраль, I9UV г.), Тбилиси, 1987 . - С. 212 (в соавторстве).

24. Еодосливная грунтовая плотина // Заявка на изобретете 4855KC/I5. Приоритет от 31.07.1990. Решение о гтпче :атента от 9.04.1992 (в соавторстве).

- 50 -

25. Гаситель энергии водного потока // Заявка на изобретение 4086578/15. Приоритет от 10.12.1990. Решение о выдаче патента от 23.04.1992 г. (е соавторстве).

26. Шахтный гидротехнический водосброс // Заявка на изобретение ?f 4866577/15. Приоритет от 10.12.1990. Решение

о выдаче патента от 26.05.1992 (в соавторстве).

27. The experience of the laboratory planning of the anti-mud flow constructions // Proc. of XX-th Congress of IAHR. - Moscow, 1983, v.YII. - P.310-313 (в соавторстве).

28. Influence of swift streams on an anti-mud stream constructions // Proc..of XXII-th Congress IAHR/ Topics in fluvial hydraulics. - Lausanne, 1987. - P.113-114 (в соавторстве).

29. Mathematical modelling of Debris flow. Impact against stationary construction // The Soviet- China-Japan Symposium and field workshop on natural /Shanhai, Lanchzou, Urumgi, Alma-Ata, Dushanbe, 1991. - P.365-371 (в соавторстве).

30. Main features of Debris flow control construction in Kazakhstan // The Soviet-China-Japan Symposium and field workshop on natural / Shanhai, Lanchzou, Urumgi, Alma-Ata, Dushanbe, 1991. - P.372-378 (в соавторстве).

31. The Impact interaction between mud-stone flow and obstacle //Soviet-China-Japan Symposium and field workshop on natural / Shanhai, Lanchzou, Urumgi, Alma-Ata, Dushanbe, 1991. - P.418-423.

32. Comparison of actual and laboratory scours of dry mud-flow bearing river beds under the influence of short duration flood // Proc.of XXIY-th Congress of IAHR.-Madrid, 1991 (в соавторстве).