автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование расчетов и конструкции креплений каналов и зарегулированных русел

РТЗ

2 7 ^^ пРавах рукописи

КУРБАНОВ САЛИГАДЖИ ОМАРОВИЧ

Совершенствование расчетов и конструкции креплений каналов и зарегулированных усел

0.5.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство 0.5.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена на кафедрах гидротехнических сооружений Московского государственного университета природообустройства и Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.С.Румянцев

Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор М.А. Ахматов

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Штеренлихт Д.В.

2. кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Волынов МА.

Ведущая организация — Кабардино-Балкарский Комитет по водному хозяйству.

Защита состоится 26 мая 1997 г. в 15 00 часов на заседании Диссертационного Совета К. 120.16.01. в МГУП по адресу: 127550 г. Москва, ул.Прянишникова, 19., ауд. 201.

Ваши отзывы просим направлять на имя Ученого секретаря Диссертационного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан " " 1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета.К. 120.16.01 Евдокимова И.М.

4/' Щеиг/М/^--

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проектирование, строительство и реконструкция гидротехнических и мелиоративных каналов, зарегулированных русел рек с (регулированными^ » берегоукрепительными сооружениями (БУС) ставят перед нами задачу разработки и совершенствования способов расчета гидравлически и экономически наивыгоднейших (оптимальных) сечений каналов, речных русел и конструкций их креплений.

Существующие способы не всегда позволяют проектировать каналы и русла с оптимальными сечениями и конструкциями их креплений. Поскольку типы и конструции существующих берегоукрепительных и регуляционных сооружений оказываются не всегда приемлемыми и эффективными.

В нашей стране общая протяженность построенных каналов всех видов составляет более 300 тыс. км. Их них более половины подлежат реконструкции и капитальному ремонту. При этом проектируют и строят новые каналы различного назначения. Параллельно проводятся регуляционные и берегоукрепительные мероприятия на многих важных в хозяйственном отношении участках рек.Общая протяженность которых достигает доЮОтыс. км.

Актуальность данной работы в этих условиях заключается в необходимости разработки научно-обоснованных рекомендаций по проектированию и расчету каналов и зарегулированных русел рек с оптимальными наивыгоднейшими сечениями и конструкциями их креплений, которые обеспечивали бы повышение эффективности и надежности работы самих каналов и защитных сооружений русла при минимальных затратах на их строительство, реконструкцию и эксплуатацию. Особенно это важно в нынешних сложных экономических условиях, когда финансовые средства, выделяемые на эти цели остаются на низком уровне.

Цель работы и задачи исследований. у Цель работы заключается в теоретическом исследовании и совершенствовании методов гидравлических и технико-экономических расчетов каналов и зарегулированных русел, обеспечивающих выбор оптимальных параметров наивыгоднейших сечений и конструкций их креплений с учетом местных и эксплуатационных условий. Для достижения поставленной цели немаловажное значение имеют результаты полевых экспериментальных исследований и изучения .надежности работ облицовок существующих каналов, зарегулированных русел и берегов рек предгорной зоны Северного Кавказа и на этой основе разработка эффективных и надежных конструкций их крепления. В связи с этим нами были поставлены следующие задачи:

- уточнить понятия и параметры тг н и (Зг н гидравлически наивыгоднейших сечений каналов симметричного и несимметричного трапецеидеального поперечного профиля;

- получить гидравлически наивыгоднейшие параметры и зависимости по их определению для разных полигональных поперечных сечений каналов и русел (сечение с двумя парами симметричных откосов и треугольным основанием, Ь = 0,-"- тоже, но с шириной по низу Ь>0, сечение с тремя парами симметричных откосов и треугольным основанием, Ь =0,-"- тоже, но с шириной по низу Ь > 0);

- провести натурные полевые исследования на магистральных каналах Чегемской ООС КБР по изучению гидравлических и наносных режимов потоков и их влияния на надежность работы каналов и их облицовок;

- осуществить полевые исследования на предгорных участках рек Терек, Баксан, Чегем по изучению надежности и эффективности работы защитно-регуляционных сооружений и на их основе разработать ряд новых эффективных и надежных конструкций БУС и их креплений;

- разработать рекомендации по расчетному обоснованию сечений каналов и зарегулированных русел.

Научная новизна. В диссертации исследованы и уточнены основные параметры сечений каналов (щ, {3, , а; . н т.д.), впервые установлено их соотношение и взаимосвязь, при которых получаются с высокой точностью гидравлически наивыгоднейшие сечения для ряда вариантов "Г каналов трапецеидального и полигонального форм поперечных сечений. Полученные при этом сечения с наивыгоднейшими гидравлическими характеристиками признаны изобретениями. На их" основе усовершенствованы гидравлические расчеты каналов и русел с технико-экономическим обоснованием по выбору наивыгоднейших форм сечений с учетом эксплуатационных и местных условий прохождения канала.

Проведены исследования в натурных условиях и изучены гидравлические и наносные режимы магистральной оросительной сети Чегемской ООС КБР, и их влияние на надежность работы каналов и их облицовок В полевых натурных условиях исследованы регуляционные и берегоукрепительные сооружения на разных характерных участках рек Терек, Баксан, Чегем и других, установлены причины и условия их разрушения и размыва, на основе этих исследований разработаны на уровне изобретений ряд новых эффективных и надежных конструкций и их креплений.

Практическая ценность работы. В результате теоретических исследований получены параметры и их зависимости по определению гидравлически наивыгоднейших сечений каналов. Они позволяют упростить и совершенствовать расчеты по выбору наиболее оптимальных форм сечений каналов и русел с учетом их конкретных условий работ.

Результаты исследований и рекомендации используются

водохозяйственными организациями КБР при эксплуатации, ремонте и реконструкции магистральных и хозяйственных каналов оросительных систем.Результаты полевых экспериментальных исследований на предгорных участках рек КБР по установлению надежности работ БУС и их креплений позволяют значительно снизить материальные затраты на проведение противопаводковых, регуляционных и берегоукрепительных

мероприятий и позволяют повысить срок службы защитных сооружений.Практические результаты экспериментально-теоретических исследований используются в проектном деле при реконструкции существующих и строительстве новых сооружений.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических исследований по совершенствованию гидравлических расчетов каналов и русел;

- данные полевых экспериментальных исследований по надежности работ магистральных каналов и их облицовок в предгорной зоне КБР; -

- прогрессивные типы конструкции креплений каналов и зарегулированных русел и берегов, разработанных на основе результатов полевых экспериментальных исследований для условий Северного Кавказа;

- результаты совершенствования методики расчетного обоснования сечений'каналов и зарегулированных русел.

- Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях КБАИ-КБГСХА и КБГУ (г. Нальчик, 1985-1996 гг.), на региональных научно-технических конференциях НИМИ (г. Новочеркасск, 1987-1990 гг.), на заседаниях кафедры ГТС и ИК КБАИ-КБГСХА (г. Нальчик, 1991-1997 гг.), на заседании кафедры ГТС МГУП (г. Москва, 1997 г.).

Публикации. По основным результатам исследований опубликованы 18 работ, в том числе 9 статей, 8 изобретений и 1 научно-исследовательский отчет.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Изложена она на 197 страницах машинописного текста (включая 20 таблиц) и содержит 64 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее основная цель и задачи исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы, дана информация о реализации и объеме работы.

В первой главе диссертации приводится аналитический обзор научно-технической литературы по гидравлическому и технико-экономическому расчету различных каналов и русел, по проблемам надежности работ облицовок каналов, по регулированию русел и надежности работ защино-регуляционных сооружений в условиях рек Северного Кавказа. Приводятся основные элементы живого сечения потока в канале, в том числе гидравлические наивыгоднейшего сечения (ГНС). По теоретическим работам И.И Агроскин., Г.В. Железнякова, Ю.А.Ибад-Заде, К.А.Михайлова, А. А Угинчуса., Р.Р.Чугаева, Д.В. Штеренлихта. других анализируются способы гидравлического расчета каналов и русел. Среди них можно выделить метод И.И.Агроскина, по которому более полно удается охарактеризовать живое сечение

трапецеидального канала. Вместе с тем, названные способы расчета (в том числе и метод Агроскина) не всегда позволяют подобрать действительно гидравлически наивыгоднейшие сечения и на их основе экономически наивыгоднейшие сечения, особенно для больших каналов полигонального профиля. Для трапецеидального канала, который считается более изученным, остаются не уточненные вопросы.

Известный метод А.А.Угинчуса по гидравлическому и технико-экономическому расчету полигональных каналов в большинстве случаев (для больших каналов) не позволяет подобрать наивыгоднейшие сечения.

По облицовкам каналов и надежности их работы рассматриваются работы В.С.Алтунина, В.Н.Гончарова, В.Я.Горенбейна, И.Дигель, В.Б.Дульнева, С.Л.Зоделева, Ю.М.Косиченко и других. Описываются типы и конструкции облицовок и их особенности в различных условиях работы. Более подробно даются железобетонные (ж/б) облицовки в условиях абразивного износа под воздействием потока. Наш анализ показывает, что скорость потока влекущего наносы, является одним из самых существенных факторов, вызывающих износ бетона. В работе приводятся эмпирические зависимости В.И.Гончарова и В^ЯТоренбейна по определению глубины износа бетона, для практического использования которых требуются дополнительные исследования по определению множества эмпирических коэффициентов, входящих в эти формулы. Анализируются вопросы выбора абразивноустойчивых конструкций креплений каналов и русел для горных и предгорных участков, которые малоизучены особенно, для условий Северного Кавказа.

По регулированию русел и проблемам надежности работ защитно-регуляционных сооружений анализируются работы С.Т.Алтунина, В.Н.Гончарова, Н.В.Гришанина, Н.Е.Кондратьева, В.С.Лапшенкова, А.Л.Можевитинова, И.С.Румянцева, Е.К.Рябковой, а также отчеты по НИР ГрузНИИГиМа, УКрНИИГиМа, ВНИИГиМа, МГМИ, КБАМИ и других. Результаты показывают многогранность теории русловых процессов, которая привела к развитию различных научных направлений. В зависимости от запросов практики широкое развитие получили гидродинамическое, геоморфологическое, гидравликоморфометрическое, гидрологоморфологическое направ-ления. Во всех направлениях в основу исследований руслового процесса принят известный тезис о взаимодействии потока с наносами и русла, в результате которого создаются русла различных форм и размеров. При этом с практической точки зрения ни одно из перечисленных направлений не позволяет в достаточной степени эффективно решить инженерные задачи, связанные с проведением регуляционных и берегоукрепительных мероприятий на участках рек.

Далее в первой главе обсуждаются типы и конструкции защитно-регуляционных сооружений и проблемы надежности их работы в условиях рек Северного Кавказа.

В заключительной части главы окончательно сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена методике проведения аналитических исследований наивыгоднейших сечений каналов и русел разного поперечного профиля.

Для трапецеидального канала симметричного поперечного сечения (рис.1) была исследована формула по определению относительной ширины соответствующей гидравлически наивыгоднейшему сечению

р , „ = 2(л/1 + т2 - т) (1)

В результате установлено, что при неопределенности наивыгоднейшего значения заложения откосов по формуле(1) получается множество ГНС при одних и тех же исходных данных ( и), I, П и др.), что не совсем согласуется с принятой формулировкой ГНС канала. По формулам равномерного движения было проведено множество расчетов по определению смоченного периметра £ , гидравлического радиуса А. и расчетной характеристики /с при разных исходных данных и для всевозможных расчетных случаев. Основные результат!!"^расчетов в табличной форме приводятся в диссертации. По некоторым характерным результатам этих расчетов построены графики зависимости % =Кт), к=[(т) и х=Крг.я.) (рис.1), по которым видно, что у трапецеидального канала симметричного поперечного сечения существует одно действительное ГНС, которое характеризуется тг н =0,577 и ргн = 1,155. При этом наивыгоднейшие значения параметров тир лежат в пределах

л? = 0,5 - 0,7 , .

и рг 1,155 ; (2)

(На сечение с этими характеристиками трапецеидвльного канала в 1989 году получено авторское свидетельство [9]).

Такие же исследования были проведены и для несимметричного поперечного сечения трапецеидального канала (рис.211), для которого так же получено ГНС, характеризующееся шгя .= 0,577 и Ргн = 1,155.0ба эти сечения принимают одинаковые значения т соответствующего ГНС, а значения у них отличаются. Уточнена и формула по определению^ для несимметричного сечения:

Р лж = 2(71 + т2 - 5т) (3)

где 5 - поправочный коэффициент, равный 0,6-0,87. Получены и графики функций Х=Кт,рг.я ), к= Г(т,рги), показывающие зависимость основных параметров сечения % и к от т, с помощью которых легко сопоставляются между собой ГНС трапецеидального и прямоугольного каналов (рис.2).

Для полигональных каналов вначале были исследованы расчетные зависимости по определению ГНС (по методу А.А.Угинчуса). В его методе основным параметром ГНС принят Р;= Ь/Ь^ выражающий относительную

ширину донной части сечения (рис.3). Характеристики всего сечения выражены через этот параметр и относительные глубины а^Ьг/Ь,,. аз=ЬзЛ11 (Ь1 - глубина донной части сечения). В результате им были получены громоздкие формулы по определению со, %, hi.Pi. и других параметров сечения. При этом, проведенные нами многочисленные расчеты по этим формулам показали, что по ним очень сложно и неточно подбираются ГНС, для полигональных каналов, а параметр Р1 совсем незначительно влияет на их ГНС (при изменении величины Р1 на 10-20% основные параметры сечения х, & и др. Изменяются всего на 4-6 %). Кроме того в предложенной методике неизвестны оптимальные значения т„ а, и их соотношения, соответствующие ГНС упомянутых каналов. Все эти формулы Упшчуса А.А. и результаты их аналитического исследования приводятся в диссертации.

В дальнейших исследованиях полигональных сечений нами были изменены обозначения характеристик их частей: характеристики верхней части сечения обозначены индексом "I" (ац^.ть...), а остальных частей - с возрастанием индекса по числу откосов сверху вниз (а>2,Ь2,т2,...). И через глубину верхней части сечения Ь[ были выражены характеристики всего сечения, и введен новый параметр р^В^ь выражающий относительную ширину верхней части сечения (рис.4). С учетом этих изменений для полигонального канала с двумя парами симыетирчных откосов и треугольных основанием (Ь=0) получены новые расчетные формулы:

а = В,А, +тД2 + ш2А? = % (/? + т, + 01 / 4т2) (4)

/)[ = ^4сит2 / 4/л1/Л2 + Лрщ + р2 ^

По этим формулам на ЭВМ проведены расчеты при всевозможных значениях <В1,тьт2, и периодически меняя постоянные величины и переменные (задаваемые). По некоторым характерным результатам построены графики зависимости х=^т2),(рис.5), х^шО и Зг.н^пц) (рис.6). Как видно из рисунков при значениях ш^О.4, тр-2 и со=соп51 смоченный периметр % мало зависит от ш2. При этом ш1=0,44 и пъ=2,5 являются гидравлически наивыгоднейшими параметрами откосов. С этими значениями п»1, т2 и Р=1,8 рассматриваемое сечение становится действительно ГНС. Показанная на рис.6 кривая I |3Г „=Дт|), построенная по результатам многочисленных расчетов ГНС на ЭВМ, описывается простой зависимостью:

.=3(т/1 + т? -т,) {7)

С применением рг„ (7) построен график х^пм) (рис.6,11), как видно из рисунка эта формула дает результаты ГНС с высокой точностью. По

результатам аналитических исследований для этого сечения (Ъ=0) получены оптимальные значения его параметров т|,т2, и [3: т,=0,4-1,5, ш2=2,5-6 ]

_ > (8)

3^3(^1+т,2-Ш1) )

( На сечение полигонального канала (рис.4а), построенное с этими параметрами в 1991 году выдано авторское свидетельство [10]},

Далее в работе исследовано такое же сечение, но шириной понизу Ь>0 (рис.4а). Для этого сечения также получены новые формулы по расчету ГНС а = В,А, +т,А,2 -0.56А,2 = А,2(/? + т, + 02 /4ш,)-42 /4т, (9)

4 ¿от, + Ь 2

(10)

А т г Р + 4 т г + т , + Р

Х = /тя^+ОТз -Ь/щ^+т^ +Ь= .

На основе вьшолненных по этим формулам расчетов- на ЭВМ, аналогично описанному выше получена формула по определению относительной ширины, соответствующей ГНС(при Ъ>0).

Ргп. = ёф + т\ -тд (П)

В отличие от формулы (7) вместо принятого коэффициента - 3 вводится новый - 5, который может изменяться от 3 до 4. При этом ширина канала понизу Ь<0,5В|. Из всех вариантов гидравлически наивыгоднейшим является сечение с Ш1=0,44 , га2=2,Ь=0,5В1 и (3=2. Оно является ГНС и по отношению к сечению с Ь=0, На рис.7 показаны графики зависимости Х=ДР) для сечения с Ь=0,5В1 (I) и для сечения с Ь =0 (П). По этим графикам видно , что полигональное сечение с двумя парами откосов и йшрииой понизу Ь>0 в гидравлическом отношении является более выгодным по сравнению с сечением с треугольным основанием (Ь=0), особенно при Р>2. И для этого сечения (Ъ>0) наивыгоднейшие значения параметров т* и Р; остаются в тех же пределах, определяемых из условия (8).

Аналогичные исследования проведены и для полигонального сечения с тремя парами симметрических откосов (т^тз.шз) и шириной понизу Ь (для двух случаев с Ь=0 и Ь>0)(рис.4б). Для этого случая было рассмотрено сечение с треугольным основанием (Ь=0), для которого получены следующие (новые) расчетные формулы.

со = В,к -^т.Ь: + В.к, +т,Ь; -

= А,:(2тгаг + 2т,а, +т, +2т3а!аг

Л; = -Jú) / (2m}a¡ +2mjO, +m, +2m¡aia1 + m2a\ +т3а, )

(14)

X = 2A, fi+mf + 2h¡ 7Í + mf + 2Aj ^Г+mf = где aj=h2/hi, аз=Ьз/Ь| с учетом p=Bi/h[

(15)

¿u = Л* (fi + m¡ + ¡5a2 - m2al + «jOj2) (16)

Приравняв формулы (13) и (16) получена новая зависимость по определению (Зг.и соответствующей ГНС.

р =(5i/¿i) = 2пца^а2 + 2^1 + 2т3а3 + 2/^Й;

1 + а2 (1?)

По этим формулам (13-17) были проведены расчеты на ЭВМ при всевозможных значениях и соотношениях а2, аз,Ш1,т2,тз. По результатам расчета каждого варианта отбирались те значения а, и т,, которые давали (относительно) гидравлически наивыгоднейшие показатели. Из всех выбранных параметров наивыгоднейшими оказались ct2-0,5,. аз=0,3, mi=0,4,m2=l,m3=3. При этих значениях а, и т, сечение канала оказывается действительно гидравлически наивыгоднейшим.

Для такого же сечения, но с шириной понизу Ь>0 формулы (13-16) видоизменяются и принимают вид:

а = h^(2m3a, + 2mla1 + от, + 2m}aIaJ +m2a¡ + m1aj)-b2 /4т1 (18)

,_4/я-¡а + Ъ_

у 4от3г а, + a¡a2 + 4т2т2 а2 + a¡ + 8m3m2 а2 +4т3т|

Х = + т2г +2а3^\ + т1)ТЫт3^1 + т1 +6 (20)

(а = А,3(^ + т,+/7а2 -т2а2 +/п1а®)-62/4т, (21)

Формула (17) остается без изменения и для этого сечения (при Ь>0). По этим формулам с высокой точностью подбирается ГНС для полигонального канала с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ь>0. Проведенные многочисленные расчеты на ЭВМ показали, что оба эти сечения (с Ь-0 и Ь>0, рис.4б) имеют одинаковые гидравлически наивыгоднейшие параметры а, и т;:

а2=0,4-0,6,. осз=0,2-0,4,т|=0,4-0,8,Ш2=0,8-1,5,Шз=2-5, при этом для сечения с Ь>0, Ь=(0,2-0,3)В,.

Примерно одинаковые результаты ГНС дают оба эти сечения, близкие к результатам полукруглого сечения. Их гидравлически наивыгоднейшие показатели отличаются от полукруглого сечения не более чем на 3-4%.

Для сегментного канала исследованы параметры ГНС. При этом уточнены наивыгоднейшие значения центрального угла <pr.„=140-180o относительной глубины b/h„=2-3, безразмерного параметра *yril.=Xr l,/RI.B=(B/R2r „=6,28-6,63 и получены сравнительные характеристики 4T=f(<p),B/h0= f(q>) и г/ Ь<,= f(q>) (рис.8), позволяющие выбрать наивыгоднейшее сечение сегментного канала.

Для зарегулированных русел рек были исследованы трапецеидальные и полигональные сечения. Выполнен анализ существующих способов (Алтунина _С.Т. и Лапшенкова B.C.) гидравлического расчета сечений. Проведенными исследованиями установлено, что выше рассмотренные полигональные сечения являются гидравлически наивыгоднейшими и для зарегулированных русел рек. Для условий рек Северного Кавказа самьм наивыгоденейшим является полигональное сечение с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу ЬХ). При этом оптимальные значения его параметров находятся в следующих пределах : mi=1,5-2,5; m2=4-10; b=(0,66-0,75)Bi; Bi=(0,7-0,75)By, а ß=B,/h1=10-25.. "Все эти выражения справедливы для предгорных участков рек Северного Кавказа, где средние глубины подводковых потоков не превышают 2,5-3,0 м. С учетом этого уточнены и расчетные формулы для рассматриваемого сечения со = Bfy + mthf + Bi / 8т2 = ßtf + mtf + ß2h] / 8m2 (22) h = I Zm-a _ 3,44m, ^

' \8тгД+8 m2m,+ß ßji + mf + 2,44ßm2 + 6,88т2Л/1 + т11

x - В, сV1 + m: ! 3,44m, + 0,7 1) + 2A, + = ßh, (-Jl + ml / 3,44m 2 + 0,7 1) + 2 A, + m

(24)

Подобранное по этим формулам сечение может оказаться не только ГНС, но и экономически наивыгоденейшим для зарегулированных русел рек при укреплении его эффективными и надежными конструкциями креплений.

Все эти результаты аналитических исследований могут быть использованы при проектировании реконструкции каналов и зарегулированных русел рек. При этом немаловажное значение имеют и материалы полевых экспериментальных исследований надежности работы существующих каналов, русел и конструкций их креплений.

3-я глава посвящена полевым экспериментальным исследованиям надежности работ магистральных каналов и защитно-регуляционных сооружений в условиях предгорной зоны Северного Кавказа.

Полевые исследования проводились на магистральных каналах Чегемской ООС КБР, являющейся наиболее технически совершенной системой республики после реконструкции в 1981 году. Водоподача в магистральные каналы (Правобережный - ПМК и Левобережный - ЛМК) осуществлялась с помощью плотинного двухъярусного водозаборного

гидроузла (расположенного на р.Чегем), в состав которого входят песколовки системы Никитина и трехкамерные отстойники периодического промыва. Все магистральные и межхозяйственные каналы проходят в железобетонной облицовке.

В основу методики исследований был положен полевок эксперимент. В натурных условиях проводились измерения: скоростей потока, уровней глубин и расходов воды, ыутностей к стока взвешенных наносов, расходов и фракционного состава влекомых наносов, интенсивности абразивного износа облицовки каналов. Подробное описание приборов и устройств, использованных в исследованиях, а также данные об их точности и погрешности измерений, приводятся в диссертации. В результате проведенных исследований изучены наносные режимы магистральных каналов и их головных сооружений. Установлено, что головные наносоудерживающие сооружения работают с эффективностью менее 60 %. При этом за пределы действия упомянутых сооружений в магистральные каналы дополнительно ( с прилегающих склонов) попадает большое количество крупных наносов (диаметром от 1 до 200 мм). Особенно это явление характерно для правобережного магистрального канала. Длина

канала 18 км, в начальной части проходит в монолитной__облицовке

трапецеидального сечения (до ПК 15), далее в Г-образных -блоках с заыоноличенным дном (Отм=11 т3/с). Многие участки каналов работали как быстротоки, скорости в них достигают до 4-6 м/с. Для измерения расхода влекомых наносов при высоких скоростях нами был разработан специальный батометр-ловушка, состоящий из мягкой сетки вытянутой конусообразной формы , каркаса обтекаемой формы и механизма для открывания и закрывания сетки (рис.9) (конструкции каркаса и сетки были защищены 3-мя авторскими свидетельствами [13]. Результаты опыта по испытанию прибора показали, что он работает с высокой точностью, погрешности измерений расхода влекомых наносов не превышали 3,5%. По данным измерений более 1,5 тыс.мЗ крупных наносов попадает в магистральный канал (ПМК) за один сезон. Количественные и качественные характеристики наносов по участкам каналов в табличной форме приводятся в работе. Наносы, двигаясь с высокой скоростью истирали и разрушали облицовку канала, нарушали нормальный режим работы сооружений на каналах и подземной сети. При этом были изучены и гидравлические режимы потока по участкам каналов и определены их основные морфометрические характеристики. На большинстве участков каналов, работающих как быстротоки наблюдались неустойчивые и бурные гидравлические режимы с волновым движением потоков, характеризующихся высокой турбулентностью и аэрацией. Параметр кинртичности потока Пк колебался от 1 до 4. Более подробно были исследованы гидравлические параметры потока на экспериментальном участке ПМК (ПК27-35), оборудованным опытными гидропостами. Некоторые результаты приведены на рис.10, где показаны кривые расходов и скоростей потока^=1(Ьт„) и У=£(Ьга„) - опытные, (З^Ь) и аналитические.

Опытные кривые были построены в зависимости от максимальной глубины с учетом аэрации потока Ь^и. В результате волнообразования и аэрации потока (из-за повышенной и неравномерной шероховатости дна и стенок канала), глубины канала по сравнению с проектными данными увеличивались на 20-30%, а максимальная пропускная способность уменьшилась на 20%. На этом участке ПМК после 5 лет его эксплуатации максимальная пропускная способность составила 6,5-7,0 т'/с (вместо 9 т3/с - по проекту). За этот же период коэффициент шероховатости облицовки увеличился с п=0,014 до п=0,018-0,025. По характерным участкам МК были получены и графики интенсивности абразивного износа облицовки в зависимости от продолжительности их эксплуатации (в годах Д =1(Т|). Некоторые из них для наиболее характерных участков ПМК и ЛМК приведены на рис.11а,б. На рис.Пв кривая I построена по средним значениям шероховатости дна (мм) рассматриваемого участка канала, полученным к моменту замера перед каждым оросительным сезоном. А кривая П построена по максимальным значениям шероховатости дна. Такие же графики (на тех же участках) были построены в безразмерных единицах &/й=[(Т/Ть) - 1 кривая и ¿„/¿95= ЯТ/Тк) - 2 кривая, (рис.12), где Д/У -отношение величин средней шероховатости к среднему значению "диаметра влекомых наносов, ТДк - отношение (по порядку от 1 до б), номера очередного года "П к конечному числу наблюдений Ть Дт^ - отношение величины максимальной шероховатости к максимальному " значению диаметра влекомых наносов, I кривая показывает процесс абразивного износа под воздействием ( в основном) средних и мелких фракций влекомых наносов (составляющих более 50 % от общего количества наносов), а 2 кривая показывает процесс износа под преимущественным влиянием крупных фракций наносов (менее 5%). Как видно из графиков, участки дна ПМК более интенсивно истираются и разрушаются наносами по сравнению с участками ЛМК, находящихся в одинаковых гидравлических условиях.

Исследования показали, что в первые 2 года эксплуатации большинство участков каналов работают на абразивный износ с интенсивностью 5-8 мм/год, в последующие годы процесс . износа замедляется до 3-5 мм в год. Это было связано с тем, что в первые 2 года эксплуатации полностью стирается поверхностный слой бетона, цементный камень) и раскрывается крупный заполнитель, который вступает в работу на износ (прочность заполнителя была больше прочности цементного камня). А для большинства участков ПМК ( где 2,5м/с) процесс замедления износа наблюдался только в 3-4 года их работы, в последующие годы интенсивность износа резко возрастала (рис.11-12) и достигала до 15- 20 мм/год.

Все это объясняется следующим образом. В начальные годы, эксплуатации наблюдалось истирающее воздействие твердого стока, в результате оголялись крупные заполнители, раскрывались микротрешины и крупные поры в бетоне, далее под действием периодического увлажекения и высыхания, замораживания и оттаивания происходило увеличение трешин и

ослабление связей заполнителя и цементного камня. В последующие годы эксплуатации под воздействием крупных частиц наносов, (ё>50 мм), движущихся с высокой скоростью, происходило выбивание расшатавшегося заполнителя, отколы цементного раствора между ними, оголение арматуры и полное разрушение бетонного основания канала (на некоторых участках).

Проведенными исследованиями на МК Чегемской ООС была установлена необходимость устройства не только высокоэффективных наносоудерживающих сооружений (головных и на каналах, в зонах интенсивного поступления наносов), но и наивыгоднейших сечений каналов с эффективными и надежными конструкциями их крепления, обеспечивающих устойчивые гидравлические режимы протекания потоков и надежность работы всей магистральной сети.

Далее в 3 главе приводится подробный анализ результатов налурных исследований надежности работ защитно-регуляционных сооружений в условиях рек Северного Кавказа.

Отмечается, что здесь на СК наибольшее распространение за-последние 20-30 лет получили 3 типа креплений защитных сооруже-ний ( дамб и берегов) : 1 тип - гладкое крепление: мокрого откоса из сборных ж/б плит, устраиваемое до ожидаемой глубины размыва русла (рис.13) ; 2 тип - сплошное ж/б крепление с упорным бетонным зубом у подошвы мокрого откоса, закладываемый в основание до расчетной глубины размыва русла (рис.14); 3 тип - гладкое крепление из сборных ж/б плит, состоящее из откосного и горизонтального ( у подошвы откоса) участков (рис.15). На многих ( опасных и размываемых) участках рек с названными, типами креплений были проведены натурные исследования по изучению надежности их работы в течение 8-10 лет. Каждый из этих типов креплений был подробно исследован на разных характерных участках рек. В результате проведенных исследований было установлено, что все эти 3 типа креплений очень слабо работают в течении короткого периода (3-5 лет), выходят из строя, разрушаются. Основными причинами этого являются возникающие под креплением силы фильтрационного противодавления (Ыф) и деформации грунтов (суффозия, контактный размыв и др.). Наблюдения за их работой показали, что при гидродинамическом и-волновом воздействии паводкового потока под креплением образуются силы фильтрационного противодавления, величина которых превышает величины силы тяжести самих плит в ' (Нф >0„) а также - градиенты фильтрационного потока, превышающие допустимые критические градиенты для подстилающих грунтов

С учетом результатов проведенных исследований и наблюдений на реках Северного Кавказа нами были разработаны ряд новых и усовершенствованных конструкций креплений защитно-регуляционных сооружений. Наиболее эффективными и надежными из них оказались короткие поперечные сооружения, названые нами полузапрудами-отбошсами, потому что их длина не превышает 15-20 м и они короче обычных полузапруд. Нами были разработаны 2 типа полузапруд-отбоек.

Первый тип - это относительно жесткая конструкция, выполненная из сборных Г-образных блоков в виде лотка длиной 10-12 м, пригруженная изнутри гравием и галькой (рис.17). Второй тип состоит из двух частей жесткой корневой части и гибкой головной части (рис.(18). Корневая часть была выполнена; по конструкции как первый, но несколько короче длиной 89 м, а гибкая часть - из бетонних кубов, шарнирно соединенных между собой и корневой частью, длиной 3-4 м.

Для экспериментальных исследований полузапруд-отбоек были выделены наиболее опасные размываемые участки р.Терек ( в районе г.Терек), р.Баксан (г.Баксан), р.Чегем (пос.Чегем-1),общей длиной более 5 км. На вогнутом правобережном участке р.Терек ниже Александровского моста вдоль границы меандрировапия русла были построены защитные дамбы с отбойками 1 и 2 типов (1989-1991 г.г). Отбойки располагались у подошвы дамбы с направлением против течения под углом 20* к нормали на ¡, ось потока ( как обычные полузапруды). При этом отбойки 1 типа бьшн заложены с уклоном в сторону русла реки до ожидаемой глубины размыва русла, а отбойки 2 типа-на средней отметке дна русла.Откосное крепление было выполнено из ж/б плит и габионных тюфяков, расположенных параллельными рядами. На характерных участках дамб по 2-3. ЛЦТ- отбоек были оборудованы наблюдательными постами, где нами в течении ряда лет со дня их строительства проводились исследования в период паводков. Исследования показали, что самое активное взаимодействие_ потока и сооружений происходило в паводок первого года после их строительства. При этом наблюдалось следующее: -

- интенсивный размыв русла у голов сооружений происходил в период интенсивного нарастания паводка, а не при максимальном расходе;

- максимальные размывы русла установились у отбоек 1 типа, их величина ниже средней отметки даа русла Ь,, достигала до 2 м и более, а у отбоек 2 типа значение Ьр составило около 1,7 м и про исходило погружение бетонных кубов головной гибкой части в воронку размыва;

-максимальное значение пульсационных скоростей потока в районе оголовок отбоек достигало 5 м/с и более, а величина средних скоростей потока не превышала 2,5 м/с;

-между отбойками установились застойные зоны с резким падением продольных скоростей (до 0,3 м/с);

-при спаде паводка происходило частичное заиление размытых зон русла у сооружений.

После паводка 1 года были построены карты размыва русла ( в горизонталях) у отбоек 1и 2 типов, показанные на рис. 17 и 18. Как видно наибольшие размывы русла (по глубине и по площади) установились у отбоек 1 типа и величина Ьр оказалась больше ожидаемой, поэтому несколько отбоек получили небольшие разрушения.

Дальнейшие исследования и наблюдения, продолженные на 2 и последующие годы их эксплуатации показали, что размывы русла у сооружений в основном прекратились, происходило непрерывное сглаживание русла (занесение наносами размытых участков русла) у отбоек

и заиление промежутков между ними, и к 1993 г. полностью до средней отметки дна русла заилились ямы размыва русла у отбоек 2 типа, и на 2/3 глубины размыва Кр у отбоек 1 типа. При этом участки в промежутках между отбойками у подошвы дамб, полностью заилились и заросли растительностью. По результатам 5-летних исследований были построены кривые, размыва русла, показанные на рис. 16 (I и 2),где четко прослеживается процесс размыва русла у новых сооружений (отбоек I и 2 типов) в течение ряда лет их работ.

В том же районе р.Терек параллельно были проведены исследования также на правобережном (выше Александровского моста) участке защитной дамбы, построенной по проекту КБО "Ссвкавгипроводхоз" с гладким ж/б креплением 3 типа, состоящее из откосного и горизонтального участков (рис.15). Наблюдения показали, что посде первого же паводка тело дамбы и ее крепление оказались во многих местах поврежденными. Особенно сильные разрушения получил горизонтальный участок крепления, состоящий из 3-х рядов ж/б плит ПШО, на некоторых участках было отмечено полное разрушение с разрывом узлов соединений и образованием глубоких ям размыва (Ь^1,5 м). За рассматриваемый период и до 1995 года неоднократно разрушались участками и восстанавливались до 70 % крепления дамбы. По результатам этих исследований построен график размыва русла 3 кривая на том рисунке 16, где показаны кривые размыва русла у полузапруд-отбоек." По этим графикам хорошо просматривается процесс размыва русла у каждого типа крепления за период их работы после строительства (5 лет). Здесь бесспорно выиграли полузапруды-отбойки, особенно 2 типа, хотя они находились в худших гидрологических условиях работы ( на вогнутом участке берега).

Напротив рассматриваемого участка на левом берегу р.Терек вдоль ст. Александровской были построены и исследованы полузапруды -отбойки 2 типа. При этом корневая их часть была выполнена в виде ступенчатого лотка из разновысоких Г-образных блоков (с расположением попарно самых высоких блоков Г-30 или Г-25 в корневой части врезанной в берег на 3-4 м) без откосного крепления берега (рис.23). Отбойки были построены вдоль подошвы размываемого вогнутого берега (300 м) с направлением против течения (20-25") на расстоянии 20-40 м друг от друга и с возрастанием их длины от 10 до 20 м. Они были разработаны в качестве временных сооружений, расчитанных на пропуск паводка одного года (1992 г.). Вместе с тем проведенные наблюдения и исследования показали, что они сработали (лучше чем ожидалось) как капитальные защитные сооружения. Максимальные размывы русла у сооружений происходили во время паводков 1 года их работы, величина Ьр составила около 2 м (Ьр<2 м). На 2-й и 3-й годы их эксплуатации происходило заиление размытых зон русла и промежутков между отбойками, После 3-х лет работы сооружений вдоль берега все занеслось наносами и образовался новый откос, (с заложение 810) заросший растительностью в пределах длины отбоек.И в настоящее время все сохранилось и уплотнилось, отбойки стали еше прочнее и обеспечивают надежную защиту берегу.

Такие же отбойки 1 и 2 типов (как и на правом берегу р.Терек) были построены вместе с защитными дамбами и на реках Баксан и Чегем (19891991 гг.). Здесь они сработали вполне удовлетворительно , хотя находились в худших гидрологических условиях (на горно-предгорных участках с уклоном русел ¡=0,005-0,010. На р.Баксан было построено зарегулированное русло (в пределах г.Баксан) с двухсторонним расположением защитно-регуляционных дамб, у подошвы которых были предусмотрены отбойки. При этом проведенные наблюдения показали, что после заиления промежутком между отбойками (после 3-х лет их работы) образовалось зарегулированное русло наивыгоднейшего полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов (тьШг) и шириной понизу (Ь>0).

В целом результаты проведенных натурных исследований показали, что предлагаемые полузапруды-отбойки 1 и 2 типов работают эффективно и надежно на предгорных участках рек Северного Кавказа. После их строительства размываемые зоны берегов заиляются и зарастают растительностью, в результате улучшается экологическое состояние рек.

В 4 главе даются описания, предлагаемых автором диссертации, прогрессивных типов конструкций крепления каналов, зарегулированных русел и берегов рек для условий Северного Кавказа. Все эти конструкции были разработаны с учетом результатов проведенных нами полевых экспериментальных исследований и большинство из них защищено авторскими свидетельствами и положительными решениями ВНИИГПЭ (перечень их приводится в списке опубликованных работ в конце автореферата [8-12,14,15]. Краткое описание и условия их применения приводятся ниже.

Устройство для зашиты от абразивного износа дна канала и водосброса [И] (рис.19), содержит облицовку из речного булыжника, выполненную в виде ступеней 1, высотой равной наибольшему размеру булыжников, и длиной (1,1 - 1,15)1ОТ„. В концевой части 3 ступени 1 длиной (0,2-0,3) в зоне наибольшего динамического и абразивного воздействия потока булыжники 9 с наибольшими размерами плотно уложены по всей ширине водосброса в металлический ящик 10 со сплошными боковыми стенками 12 и решетчатым дном Ни крышкой 15, установленной на уровне 2/3 высоты булыжника 9. По всей площади ступеней 1 булыжники замоноличены полимербетоном 16 до уровня 3/4 их высоты.Устройство обеспечивает надежную защиту дна канала и водосброса от абразивного воздействия наносов любых размеров при скоростях потока более 6-8 м/с. При скоростях потока от 3 до 6 м/с вместо полнмербетона 16 может быть использован глинобетон (или плотную глину). В этом случае сверху арматурной сетки необходимо предусмотреть защитный слой 1,5-2 см из полимерного раствора. Крепление дна канала может быть выполнено и без ступеней, относительно гладким. На рис.20 показан поперечный разрез (а) и план участка полигонального канала (б) с комбинированной облицовкой из булыжника и железобетона. Донная часть в пределах ширины понизу Ь и длин откосов га2, разбита на клетки, внутри которых плотно уложен булыжник. Размеры клеток по длине канала должны быть не более 2-3 м из

условия обеспечения прочности работы конструкции. Наиболее эффективно она будет работать когда в основании залегают глинистые грунты и при скоростях потока до 5-6 м/с.

Устройство для крепления берегозащитных сооружений [12] (рис.22), состоит из железобетонных плит 2 и габионов 3, расположенных на откосе чередующимися параллельными рядами и шарнирно соединенных между собой. Противоразмывочные плиты расположены на дне русла реки, выполнены в виде габиошшх тюфяков б и соединены с железобетонными плитами. Сверху и сбоку по всей площади тюфяков шарнирно прикреплены гибкие железобетонные решетки 8, которые предохраняют габионную сетку 11 от разрушения. Габионы работают как защитные конструкции и как дренажи и обеспечивают прямое и обратное движение воды через крепления без возникнонения фильтрационных деформаций подстилающих грунтов и высокого фильтрационного противодавления под креплением. При размыве русла И,в образовавшуюся воронку будет происходить самопогружение тюфяков с пригрузкой по линии

естественного откоса (4) до максимально возможной глубины размыва русла Нр , для этого длина противоразмывочного тюфяка должна быть не менее 2НР . Устройство предназначено для зашиты самых опастк вогнутых участков берегов рек с уклонами 1 = 0,003 - 0,010.

.Устройство для защиты оснований речных берегоукрепительных сооружений от подмыва [8] (рис.21), состоит из габиоюшх тюфяков 1, горизонтально расположенных в сторону русла 2 реки, связанных шарнирно с защищаемым сооружением 3. Сверху тюфяков 1 прикреплены утилизированные автопокрышки 5, связанные между собой и с тюфяками 1 с помощью продольных и поперечных арматурных стержней 7. Устройство предназначено для зашиты оснований укрепляемых берегов от подмыва на предгорных участках рек с уклонами 0,002 - 0,008.

Полузапруда и способ ее строительства [14] (рис.23). Полузапруда выполнена комбинированной конструкцией и состоит из жесткого ступенчатого лотка 1 (корневая часть) и гибкой головной части 2. Лоток 1 выполнен из разновысоких Г-образных блоков 3, расположенных попарно напротив, друг, друга, внутри лотка понизу в местах арматурных выпусков блоки связаны между собой и замоиоличены бетоном, снаружи и сбоку в местах закладных, деталей блоки связаны между собой с помощью арматурных стержней 7, сверху поперек лотка в местах соединения блоков устроены ребра жесткости 9, спереди лоток 1 закрыт арматурной решеткой 15, а сам лоток 1 пригружен гравием и галькой 10 и вокруг обтянут арматурным поясом 12. Головная часть 2 выполнена в виде гибкой конструкции из бетонных кубов шарнирно соединенных между собой и с арматурным поясом лотка. Полузапруда располагается с уклоном (0,05 - 0,1) и направлением против течения под углом до 30° к нормали на ось потока. Длина гибкой головной части 2 ?2 должна быть не менее Ьр^ф. в этом случае прелотвращается распространение размыва русла в сторону берега. Длина лотка Г1 >Г2 • Для горных и предгорных

меавдрирующих участков рек с уклонами i - Q, 005 - 0 , 02 рекомендуется принимать длину полузапруд t = 20 - 30 м , а расстояние между ними не более ( 2-3 )f- их длины . Они могут <_ располагаться как у подошвы берега, так и у продольной дамбы с откосным креплением и без него. При устройстве их без откосного крепления средний напор воды над лотком 1 при (Q^) должен быть не более 1/ЗНшах -максимальной глубины потока, при этом hi ¿0,5 м, Ь2<1,5 м..

Берегозащитное сооружение [15] (рис.24) состоит из насыпной дамбы 1 с комбинированным откосным креплением, включающим железобетонные плиты 2 и габионы 3, и противоразмывочных шпор 5, выполненных ступенчатой формы с расположением габионов в один, два и более рядов по вертикали. Самая низкая ступень образует голонную часть 7, остальные - корневую часть 8 шпор 5. Габион головной части 7 плотно перевязан в двух-трех местах арматурной проволокой 12, где-прикреплены железобетонные решетки 9. Шпоры 5 располагают с уклоном и направлением против течения реки как полузапруды-отбойки (в предыдущем случае), и работают они как полузапруды. Длина шпор l=It+I2, hpctg9=:2hp1l1>l2 , высота шпоры в корневой части Hi= 2/3 Hm„, головной части - Hj = 1/3 расстояние между шпорами L=( 2-3 )?. Берегозащитное сооружение предназначено для предгорных меандрирующих участков рек с уклонами i=0,001-0,010 Оно может быть использонано и как выправительное сооружение для удержания потока реки на проектной трассе.

При проектировагаш зарегулированных (с двух сторон) русел рек, вышеописанные конструкции крепления ( рис. 23-24) предусматривают как с левой, так и с правой стороны струенапра^ляющих дамб. Наиболее эффективно зарегулированным ( наивыгоднейшего сечения) получается русло полигонального сечения [10], с креплением из габионных тюфяков и отбоек (шпор). Боковые откосы укрепляются габионными тюфяками (t= 3040 см), укладываются клетками длиной 8-12 м, границы которых разделены железобетонными балками, лотками и др. Донные откосы укрепляются отбойками (рис.30), расположенными по линии откосов на определенном расстоянии друг от друга н с направлением против течения. Промежутки между отбоек не укрепляются, длина отбоек принимается не менее длины донного откоса l„t . Полигональное сечение зарегулированного русла подбирается по методике, приведенной в 5 главе. Полузапруды-отбойки активно взаимодействуют с потоком, разбивают его структуру, отбивают поток от дамб к центру русла и создают зоны заиления между ними, тем сямым уменьшают размыващую и транспортирующую способность потока и повышают устойчивость и прочность полигонального сечения зарегулированного русла. Они успешно прошли испытания в натурных условиях на многих участках рек КБР. После их строительства размываемые зоны берегов превращаются в зеленые (заросшие растительностью) рощи, тем самым улучшается и экологическое состояние рек. Нами разработано множество вариантов (разновидностей) отбоек и шпор из разных железобетонных элементов, габионов, деревьев и других

местных материалов. На рис.25-27 показаны отбойки из бетонных кубов и лотков ЛР-8(10). Отбойка и ж/б cor и бетонных кубов показана на рис.28. А на рис.29 изображена отбойка из бетонных кубов и деревьев. Все эти отбойки (рис.25-27) были разработаны для ускоренного проведения противопаводковых мероприятий на важных в хозяйственном, отношении участках рек. Подробное описание и рекомендации по их проектированию приводятся в диссертации.

В пятой главе приводятся рекомендации по расчетному обоснованию сечений каналов и зарегулированных русел рек. Рекомендации были разработаны на основе результатов теоретических исследований наивыгоднейших сечений каналов, русел ( 2 глава) и с учетом данных натурных исследований каналов, зарегулированных русел и , конструкций их крепления £ глава 3 и 4).

Аналитическими исследованиями симметричного поперечного сечения трапецеидального канала были получены оптимальные параметры, (ш=0,5-0,7 и ߣl,155). Сечете с этими параметрами получается гидравлически и экономически наивыгоднейшим, в случае прохождения канала по скальному основанию, а также и по нескальному основанию, но в жесткой бетонной или ж/б облицовке при глубине выемки h, <-2;5-3,0 м (9). Несимметричное трапецеидальное сечение имеет такие же наивыгоднейшие характеристики (m=0,5-0,7, h„ < 2,5-3,0 м), только ß>l,5. Для этих сечений получены и сравнительные характеристики x=^(mißrn.) • (рис.2) и Ч^Хг н/Rr.n =f(m) (рис.31), с помощью которых легко сопоставляются они между собой и с прямоугольными сечениями. При этом упрощается гидравлический и технико-экономический расчеты трапецеидальных каналов.

Для окончательного выбора наивыгоднейшего сечения необходимо определить и экономические показатели для каждого из этих сечений (объемы земляных работ, площади облицовок н их стоимости и др.). Более подробно методика расчета изложена в диссертации. Для полигональных каналов с двумя парами симметричных откосов (шь Шг) и шириной понизу b (для двух сечений с Ь=0 и Ь>0) были получены параметры (mi,m2 и ß) наивыгоднейших сечений определяемые из условия (8) ( рис.4а). Анализ результатов технико-экономических расчетов показал, что сечение с упомянутыми характеристиками (8) получается действительно наивыгоднейшим, когда трасса канала проложена по скальному и нескальному основаниям , но в жесткой облицовке, а также когда она проходит по земляному руслу при небольших уклонах и глубинах ha<3 м. При этом, дальнейшими исследованиями установлено, что для названных случаев наивыгоднейшие значения mi изменяются в зависимости от величины площади живого сечения со : при © ia 30' м2, 1^=0,4-0,8 ; при 30<(0 <75-100 м2. т, =0,4-1,0, а при ш > 75-100 м2. т^О.4-1,5.

Оптимальные значения т2 остаются в пределах 2,5-6,0 при любой са , при этом т1/п12<1/4. Экономически наивыгоднейшие значения Ш[ могут быть увеличены до 2. Для полигональных каналов, рассматриваемых сечений (рис.4а) были получены новые формулы (4-12) по гидравлическому их расчету. При этом для сечений с Ь>0, выразив Ь=0,5В1 и (3=рг„ уточнены формулы (9-11).

З/?2

еа = Я,А, + /п,А,2 + ЗЯ,2/1бя», = А,2(Д„ +т,+т~) (25)

1 оп2

16т2т1 +16 т2Д „ + ЗД2,

X = + 2Л, т/Г+т^ + 0,55, =

= (¿^ + 2Л, + + 0,5Д„)

(26)

(27)

С использованием этих (25-27) и ранее приведенных формул (4-12) в диссертации приводится ряд примеров и по гидравлическому и технико-экономическому расчету полигональных каналов.

На основании аналитических исследований сечений полигональных каналов с тремя парами симметричных откосов (т^шг.тз) и шириной понизу Ь ( для двух случаев Ь=0 и Ь>0) были выведены новые расчетные зависимости (13)-(21) и получены параметры ГНС а,, т; и Ъ (рис.4б). Анализ результатов дальнейших исследований с точки зрения получения экономически наивыгоднейших характеристик показал , что заложения откосов т; изменяются в более широких пределах :т1=0,4-1,5, т2=0,8-0,2 и тз=2-8, параметры а2 ,аэ и Ь -остаются в тех же пределах . При этом должны соблюдаться следующие пропорции и соотношения относительных глубин и заложений откосов. а2=Ь2/'Ь1=п11/т2=0,4-0,6

а3=Ьз/Ь|>т,/тз=0>13-0,2/ . (28)

Экономически наивыгоднейшие значения ширины понизу Ь лежат также в пределах Ъ=(0,2-0,3) В|. С учетом этого для сечения с . Ь>0

уточнены формулы (18-21), выразив Ь через В т.е. Ь=0.25В1=0.25рг„Ь|, в результате получены:

64 от, о

64тфгщ +64тътг + 64т,Д ^сс, - 64/л,а; + 64т;а' - Д'.

(29)

В1 А,2

= А,2(Д„ +лт, + Д,а, -т,а; + т,а{)-(30)

Х = + т,! +2а11/1 + тг- + 2а)Д/1 + т,г +0,25/3^ + (31)

С использованием новых формул и зависимостей (13)-(21) и (28)-(3!), полученных для сечений полигональных каналов с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ь можно выполнить гидравлические и технико-экономические расчеты по вышеприведенной методике. При этом из-за того, что установлены пределы изменения оптимальных значений заложений откосов т» относительных глубин а, и их соотношений (28) объем расчетов сокращается в более, чем два раза, а результаты получаются значительно точнее (по сравнению с объемами и результатами ■ существующих методик расчетов Угинчуса и др.).

На рис.32 приведены сравнительные зависимости построенные в безразмерных параметрах: ц/=й[ш1) для полигональных сечений I, П и ч/=й[ф) для сегментных сечений Ш по которым видно, что результаты ГНС полигональных каналов получаются, очень близкими к результатам полукруглого и сегментного сечений, особенно, полигонального сечения с тремя парами откосов н шириной понизу ЬХ) (П кривая).

При проектировании зарегулированных русел могут быть-применены полигональные сечения с двумя или тремя парами симметричных откосов и шириной понизу Ь> 0 и при их расчете использованы вышеприведенные зависимости и рекомендации. Только ширина понизу Ь должна быть уточнена с учетом гидрологических условий рассматриваемого участка реки. Для зарегулированных русел рек Северного Кавказа, как было выше отмечено, наиболее эффективным является полигональное сечение (рис.4а) с параметрами Ь=(0,66-0,75)ВУ; ш1=1,5-2,5 ; т2=4-10 и р=10-25 . При этом были получены и расчетные формулы (21)-(24) по определению основных гидравлических характеристик для этого сечения. Анализ результатов многочисленных расчетов (выполненных с использованием этих данных для рек Северного Кавказа) показали, что по сравнению с трапецеидальными сечениями значения со и х уменьшаются на 10-25% (Ь=0,7-0,75ВУ), а ширина понизу уменьшается почти в два раза , соответственно уменьшается и площадь крепления. Результаты натурных исследований, проведенных на р. Баксан показали, что наиболее эффективно укрепляются и устойчиво работают русла полигонального сечения (рис.30). При этом обеспечиваются более устойчивые гидравлические режимы потока в русле и более равномерные распределения гидродинамических нагрузок потока по сечению.

Для обоснованного выбора наивыгоднейшего сечения регулируемого русла необходимо выполнить технико-экономические расчеты в увязке с выбором эффективных и надежных конструкций его крепления. Для каждого рассматриваемого сечения нужно принять ряд вариантов конструкций крепления ( с учетом условий их работы) и подсчитать объемы работ и их стоимость. Далее определить для каждого варианта ежегодные затраты на содержание (эксплуатацию) зарегулированных русел рек, Сж.

Окончательный выбор варианта наивыгоднейшего сечения с эффективным и устойчивым креплением можно осуществить по величине суммы приведенных ежегодных затрат на сооружение зарегулированного русла. Сг..

Более подробные рекомендации по расчетному обоснованию наивыгоднейших сечений каналов и русел приводятся в диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы, полученные на основании проведенных аналитических и полевых экспериментальных исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1. Результаты многочисленных гидравлических расчетов каналов позволили уточнить наивыгоднейшие параметры m и 0 для симметричного и несимметричного трапецеидального сечений и получить сравнительные их характеристики (в виде графических зависимостей), позволяющие упростить расчет по выбору наивыгоднейшего из них.

2. На основании результатов аналитических исследований наивыгоднейших сечений полигональных каналов и способов их расчетов получены и выведены новые расчетные зависимости, позволяющие определить основные гидравлические характеристики различных полигональных сечений. Для сечения с двумя парами симметричных откосов и шириной понизу b получены наивыгоднейшие значения параметров mi, тг, Р и их соотношений. Для сечения с тремя парами симметричных откосов и шириной понизу b уточнены оптимальные значения Ш], Шг, ш3 и их соотношения mi/m2 и ш\1 mj, а также наивыгоднейшие значения относительных глубин a2=h2/h|, aj =hj/hi и их соотношения с mi/m2 и гщ/ ш3 Получены сравнительные характеристики для этих сечений, позволяющие сопоставить их между собой и с другими призматическими сечениями.

3. Для канала сегментного сечения уточнены гидравлически наивыгоднейшие значения центрального угла <pr ll , безразмерного параметра vyr „. и его зависимости от <р.

4. На основе анализа результатов исследования сечений зарегулированных русел рек и способов их расчетов предложены оптимальные полигональные сечения с наивыгоднейшими параметрами и расчетные зависимости по их определению для регулируемых участков рек Северного Кавказа.

5. В результате полевых исследований магистральных каналов Чегемской ООС установлено :

7-большое количество^кр^пных наносов (более 70% ) попадает в оросительную сеть за пределы-головных наносоудерживающих сооружений

и создает дополнительные трудности в эксплуатации каналов и сооружена на них;

- бетонное крепление магистральных каналов по всей своей длиш работает с абразивным износом с интенсивностью от 5 до 20. мм в год, (дд5 их характерных участков получены и графические зависимое™ интенсивности износа облицовки), в результате повысилась шероховатост] и уменьшилась пропускная способность каналов до 20%;

- применяемые в предгорной зоне Северного Кавказа прямоугольны! и трапецеидальные сечения в железобетонной облицовке не обеспечиваю-устойчивые гидравлические режимы в каналах: потоки в канала: характеризуются высокой турбулентностью, аэрацией и волнообразны» движением.

6. Полевыми исследованиями установлено, что широю применяемые на Северном Кавказе сплошные крепления защитны: сооружений из сборных железобетонных плит за короткий срок (3-5 лет выходят из строя, разрушаются. Основными причинами этого являютс возникающее под креплением фильтрационное противодавление 1 деформации грунтов, гладкие и жесткие ж/б крепления' Тге защищаю берега, наоборот, способствуют их разрушению и • размыву по гидродинамическим воздействием паводкового потока.

7. На предгорных участках рек Терек, Баксан и Чегем успешн прошли испытания экспериментальные сооружения комбинированны конструкций, короткие полузапруды-отбойки (длиной до 15-20 м) сочетании с откосными креплениями из сборных ж/б элементов и местных материалов, располагаемые у подошвы дамб на расстоянии 20-4 м друг от друга. При этом проведенные исследования показали, чт максимальные размывы русла у сооружений происходят в первый год и эксплуатации и в период интенсивного нарастания паводка, а не пр максимальном расходе. В последующие годы их работы размытые зон русла у полузапруд-отбоек заносятся наносами и сглаживаются. После у строительства размываемые зоны берега заиляются и зарастак растительностью.

8. На основе анализа результатов проведенных исследований наблюдений для условий Северного Кавказа на уровне изобретет разработаны и предложены износостойкие облицовки каналов и ряд новь прогрессивных типов конструкций креплений зарегулированных русел берегов рек, а также методы расчетного обоснования их параметров.

9. В итоге выполненных исследований усовершенствована методи расчетного обоснования сечений каналов и русел рек с эффективными надежными конструкциями их креплений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующ. работах:

1. Наносный режим магистральной оросительной сети Чегемской ООС. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции молодых ученых КБГУ, КБАМИ. Нальчик, 1985 г.

2. Наносный режим^предгорной зоне КБАССР. Журнал "Известия Северокавказского научного центра Высшей школы № 1. Технические науки. г.Ростов-на Дону, 1986 г.

3. Отчет о НИР "Исследование интенсивности истирания бетонных одежд каналов в связи с режимом поступления наносов в Чегемскую ООС" (заключительн.) № гос. рег. 0183 00 14697, инв.№ 0287.006808. г.Нальчик, 1987 г.

4. Гидравлически и экономически наивыгоднейшие сечения трапецеидального канала. Тезисы докладов республиканской научно-практичечской конференции молодых ученых и специалистов. Нальчик, 1988, (соавтор Ханов Н.).

5. Совершенствование конструкции крепления берегозащитных соружений для условий малых рек Северного Кавказа. Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции, посвященной 80-летию академика Б.А.Шумакова.Новочеркаск, 1989.

6. Оптимизация сечений гидротехнических каналов трапецеидального и полигонального профилей. Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции "Экология-1". Нальчик, 1989.

7. Регулирование русел и опыт эксплуатации регуляционных сооружений в условиях рек Северного Кавказа и анализ причин быстрого их разрушения. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции КБГУ, КБАМИ, (соавтор Торшина Е.А.). Нальчик, 1989.

8. Устройство для защиты оснований речных берегоукрепительных сооружений от подмыва. Авт. св. № 1583515, 1988.

9. Гидротехнический канал. Авт. св. № 1521809, 1989.

10. Гидротехнический канал. Авт.св №2640271, 1991.

11. Устройство для защиты от абразивного износа дна канала и водосброса. Авт. св. № 1631116, 1991,(соавт. Ахматов М.А.).

12. Устройство для крепления берегозащитных сооружений. Авт. св. № 1708987, 1992, (соавт. Ханов Н.).

13. Батометр для влекомых наносов. Авт.св. № 1234745, Авт.св. №1352293, Авт. св. №1416887, 1986-1988.

14. Полузапруда и способы ее строительства. Заявка № 93002775/15. Положительное решение ВНИИГПЭ от 26.12. 1995, (соавт. Тутаев А.).

15. Берегозащитные сооружения. Заявка № 93001357/13. Положительное решение ВНИИГПЭ от 10.11.96.

16. Экономические и экологические проблемы водохозяйственного строительства на Северном Кавказе. Сборник материалов региональной научно-практической конференции по охране окружающей среды. Нальчик, 1995, (соавт. Ахматов М.А.).

17. К гидравлическому расчету каналов несимметричного трапецеидального сечения. Материалы научно-практической конференции КБГСХА, Нальчик, 1995.

18. К гидравлическому расчету полигональных каналов . Материалы научно-практической конференции КБГСХА. Нальчик, 1996 (соавт.Ахматов М.А.)

Ки%

Ркс.З.

0.5 и и гя м &

Рис. Г. Графики зяпискмостеИ

т то

1900 1360

то то то поо 1660

0.5 10 15 гм ¿5 3.0 ¿5 Рис. 2. Сравните«ьные зависимости трапеииидмьин* сечем«*

Ьг

.. Л/

РиС.4

Полигональное сечения

ч 1 1 1 иг=50м'

\ т,-15

1 |

—

ч а

_- ч т

тг

3;

Рис.5. Графиги Зллисимостм ^

йЧ М 12 1& ¿0 ¿4 гл

Рис.б. Кривые паоисимпсте*

и

. (И^^Гг-каа« ич.с

--«¿=0

г з 5

Рис.7. Графя** зависимости

__° т _

Ряс. 3. Характеристики ПС

сегмЕ-мтиого ссчемил

60 Ш яо

Рис .12. Кривые интенсивности абразивной-облицовки М( ЧсгечсхоИ 00С

Рис. <з. Гладкое ж/в крегиениб 1 т>

2 Ч 5 6

Рис.Ю.Кривив рагхоцоп И скоростп* ПОТОКА

Рис. Сгишшое ж/в крепление ;

УР,

Пр>

.лт_

л -Р.Г.Р.

Рис. я. Гладкое ж/б крепление- 3

4 2 3

Рис.II. Кривые интенсивности износи 0(1ЛИ1ЮВКИ Ж

(( - -

^ 1

Рис. ■(б. Кривые размыва рушД

Рис.19. Устройство ддя защиты от абразивного износа цна конала и водосброса

ПЛйН

г

¥

Рис. 20. Дбра^ивиоустоКчавое креплениа полигочялытго 1

ПЛЯН

! учясткя

_—'■■ ^ . ■ - ■•■•—I-. .

си

Рис. г1.Усгро»ОТВ1 1ЛЯ ЭЛЩИТЫ

речник Лерегоу»ряпите»ьмн< спрушни* от _£

подмыва

ПЛЯН УЧЯСТКЯ

Рис.22. Устройство ал я крепления берегов сопру*пииЯ

I-I

6000

___ 08 3

ЩЩЩг

т:

Рис.23 Рис.26

Отбойки из бетонных кубов И ЛОТКОО <ЛР-0)

■м и

Рт .27

¿*/5 тги

Рио.га.ОтбоКки из сог З'ЗхИ. и бетоннщ кубов

-6Жо [ |лт М-Т

ГЫ ан

Рпс.29.Отбойки из бетонных кубов к деревьев

Рис.30.Зарегулированное русло полигонального сечеикя

Рис.31 .Српонительнне Характеристики трап*пииц.г*ьинч сечен.

Рис.32. Сравнительные хярпнтериетики попигоня'ьних и и сегментного сечени*