автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Стабилизация судоходной реки в начальной стадии меандрирования

V. в

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ТИАН ТИНГЕВД

СТАБИЛИЗАЦИЯ СУДОХОДНОЙ РЕКИ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ МЕАНДРИРОВАНШ

Специальность 05.22.17 - Водные цути сообщения

и гидрография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного

Знамени институте водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор К.В.ГРИШАНИН

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Б.Ф.СНИЩЕНКО

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.В.ДЕГТЯРЕВ кандидат технических наук, ст.научный сотрудник В.В.ИВАНОВ

Ведущее предприятие - Акционерное общество "Институт

проектирования речного транспорта"

Защита диссертации состоится "о^ " . о 6___ 1993 г.

в _ час. в ауд.235 на заседании специализированного совета

ДИб.01.02 в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени институте водного транспорта: 198035, г.Санкт-Петербург, ул Двин -екая, д.5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛИЗТа.

Автореферат разослан " ** 1993 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

специализированного совета ДП6.01.02

кандидат технических наук //

-^ Г. Л. ГЛАДКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Плановые деформации эечных русел, обусловленные процессом меацдрирования, являются 1ричиной многих затруднений при поддержании судоходных условий 1а внутренних водных цутях, а также при эксплуатации береговых вооружений, таких как переходы линий электропередач, выпуски зточных вод, промышленные и гражданские водозаборы. В основе про-десса меандрирования лежат явления размыва вогнутых берегов и уг-1убления дна под этими берегами. С гидромеханической точки зрения эти явления есть следствие возникновения в изогнутом потоке поперечных сил, вызывающих движение поверхностных слоев потока к вогнутому, а донных слоев - к-выпуклому берегу. По мере развития излучины интенсивность размыва сначала нарастает, затем замедляется я, наконец, в последней стадии, предшествующей прорыву перешейка, эбращается в ноль. Меаццрирование представляет собой наиболее распространенный тип руслового процесса, и, следовательно, затруд« нения, которые оно вызывает в хозяйственном использовании рек, име-ат массовый характер. Для водных путей меандрирование означает прогрессирующее искривление русла, трудности в проводке большегрузных составов, особенно плотовых, и увеличение длины пути. Попытки остановить или хотя бы задержать развитие меандр предпринимались много раз, однако, общепринятой методики таких мероприятий нет.

Задачи диссертационной работы. Наблюдения над развитием меандр и практика выправительных работ на меандрирующих реках приводят к выводу, что реальные успехи в остановке процесса меандрирования могут быть достигнуты лишь в начальной стадии этого процесса, когда деформации русла еще неве-

лики и интенсивность размыва вогнутого берега ограничена. Иными словами, выправительные работы этого рода должны иметь профилактический характер. Исходя из этой принципиальной установки, были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

1) теоретически исследовать начальную стадию меандрирования и получить количественное описание развития планового очертания русла в этой стадии;

2) разработать общую схему защиты вогнутого берега от размыва;

3) выполнить лабораторные исследования на жесткой русловой модели и на основании опытов принять окончательные решения о компоновке и размерах выправительных сооружений. В опытах должна быть изучена кинематика потока по всей ширине русла и оценено влияние выправительных" работ на положение свободной поверхности потока.

Научная новизна работы .В диссертации впервые дано аналитическое выражение для скорости отступания вогнутого берега в начальной стадии развития этого процесса. Полученная зависимость подтверждается натурными данными. Впервые с помо -щью экспериментов на гидравлической модели показано, что берегозащитные шпоры с горизонтальным или слабо наклонным гребнем не улучшают, а ослабляют устойчивость берегового откоса в зоне уровней, превышающих отметки гребня, и, следовательно, предпочтение должно отдаваться сооружениям с крутым уклоном гребня.

Практическая значимость работы состоит в том, что, располагая весьма ограниченными данными о ходе размыва вогнутого берега, можно предсказать дальнейшее развитие этого процесса на период порядка нескольких лет и тем самым определить объемы необходимых мероприятий.

Сделанные в диссертации выводы относительно конструктивного типа берегозащитных сооружений будут показаны в практике проектирования.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на семинаре кафедра водных путей и водных изысканий Ленинградского института водного транспорта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 93 страницах машинописного текста, 5 таблицах и 65 рисунках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии сформулированы задачи.работы и определен ее общий состав.

В первой главе рассмотрен процесс меандрирова-ния, указаны его главные черты и место,которое он занимает среди других типов руслового процесса. Отмечено, что начальная стадия развития меандр является общей для всех подтипов этого процесса (неограниченное меаццрирование, незавершенное, ограниченное). Дан краткий обзор имеющихся взглядов на причины меандрирования. Отмечена связь этой проблемы с общей проблемой гидродинамической устойчивости.

Рассмотрены особенности кинематики потока в изогнутом русле. Этот вопрос довольно широко был изучен в лабораторных экспериментах И.Л.Розовского, К.Н.Мокмора, А.Шукри, М.И.Тер-Аствацатряна, А.К.Ананяна, Н.О.Данелия, А.Г.Иппена и Ф.А.Дринкера, Р.ЛДука. В ходе развития излучин совместно изменяются кинематическая структура потока и рельеф дна. В начале развития ведущая роль принадле-

кит потоку. В результате производимого потоком перемещения донных частиц, дно постепенно приобретает форму, отвечающую очертанию русла в плане,и у развитых излучин поток подчиняется создавшейся форме русла.

Для целей настоящей работы важное значение имеет вопрос о скорости плановых деформаций излучин. Большая работа по сбору и анализу натурных данных о величине этой скорости была выполнена в Государственном гидрологическом институте (ГГИ). Эти данные показали, что между скоростью отступания вогнутого берега и шириной русла имеется линейная связь. Приведены имеющиеся формулы скорости плановых деформаций. К сожалению, они не дают ответа на вопрос об этих скоростях в начальной стадии развития излучины.

Глава вторая содержит сведения о методах выправления изогнутых участков рек. Изложены общие концепции выправления, выдвинутые в конце XIX - начале XX века Л.Фаргом, В.М.Лохтиным, Н.С.Лелявским, и затем новые идеи, связанные с именами М.А.Великанов а, А.И.Лосиевского, С.Т.Алтунина. Как в Западной Европе, так и в России наибольший объем выправительных работ приходится на судоходные реки (средние и малые). Сотрудниками Ленинградского и Новосибирского институтов водного транспорта был выполнен большой объем исследовательских работ и созданы руководства по проектированию и расчету выправительных сооружений. В Ленинграде эти исследования велись И.М.Коноваловым, В.В.Баяаниным, В.М.Селезневым, К.В.Гриша-ниным, в Новосибирске - В.В.Дегтяревым, Ф.М.Чернышевым, А.В.Кабановым и другими.

Полузапруды широко применялись на судоходных реках России для выправлений перекатов,и к настоящему времени создана апробированная методика их расчетов. Длины полузапруд определяют на основе расчета ширины выправитеяьной трассы, их высоты - исходя из требо-

вания обеспечить заданные скорости течения на трассе, при работе полузапруд в затопленном состоянии.

Берегозащитные шпоры можно рассматривать как разновидность полузапруд, однако разное целевое назначение - защита берега и углубление русла - приводит к тому, что проектирование двух видов сооружений ведется по разному. Работа берегозащитных шпор исследована слабее, чем работа полузапруд,и настоящее исследование является,по-видимому, первым, в котором влияние шпор на кинематику и динамику естественного потока получило широкое экспериментальное освещение.

Основными отличиями шпор от полузапруд являются малость их длин по сравнению с шириной русла, малость расстояний мевду сооружениями и обычно довольно высокие отметки гребней. Расстояние между смежными шпорами всегда бывает равным или меньшим критического (напомним, что критическим называется расстояние, при котором кривая растекания от вышележащего его сооружения пересекает границу трассы в голове нижележащего). Чаще всего расстояние мевду шпорами составляет 1+2 длины сооружений.

Глава третья посвящена лабораторным исследованиям. Эти исследования были выполнены на жесткой гидравлической модели участка р.Дон у ст.Пухляковской. Отказ от постройки схематизированной модели и выбор в качестве объекта моделирования конкретного природного потока был обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, этот участок р.Дон по своим гидравлическим и русловым параметрам хорошо отвечает типичным условиям начального этапа ме-андрирования. Во-вторых, на правом вогнутом берегу этого участка располагается крупное водозаборное сооружение, питающее водой населенные пункты и промышленные предприятия Донецкого угольного

бассейна. В результате, исследования этого участка могут иметь не только познавательный интерес, но могут также помочь решению конкретной производственной задачи.

В последние годы был замечен размыв правого берега р.Дон у ст.Пухляковской и смещение судового хода в сторону водозабора. Встала задача прекращения размыва и стабилизации судового хода. Исследования возможных способов решения поставленной задачи были поручены ГТИ. Диссертант принял участие в этих исследованиях и разработал,с проверкой на модели, свой вариант улучшения участка.

Перед постройкой модели был выполнен анализ руслового процесса на моделируемом участке р.Дон. Анализом был охвачен участок общей длиной 12 км. Здесь располагаются две смежные слабо развитые излучины с шириной русла в межень 2004300 м. Водозабор находится в нижней из этих, излучин, ближе к ее нижней оконечности. Правый берег представлен узкой полоской поймы, высотой около 7 м над меженным уровнем воды. Далее следует коренной берег, сложенный трудно размываемыми грунтами. На левом берегу располагается широкая пойма. В естественном состоянии участка на нем располагались четыре переката. В результате ведущихся здесь дноуглубительных работ они к настоящему времени перестали существовать. Русло реки в современных условиях напоминает канал, с глубинами в межень 4,0-4,5 м. Общим фоном руслового процесса за последние два десятка лет служит снижение меженных уровней воды. Оно обусловлено двумя факторами: возрастающим отъемом воды на орошение и интенсивными дноуглубительными работами.

Рассмотрение русловых съемок, имеющихся с 1909 г., показало, что развитие обеих излучин происходит медленно. Ускорение развития нижней излучины за последние годы повидимому вызвано укладкой отвагов грунта на ее левобережный побочень. Съемки показывают рост

этого побочня не только в сторону правого берега, но также вверх и вниз по течению.

Для создания модели была использована русловая съемка в масштабе 1:5000, выполненная Южгипроводхозом в 1990 г. Моделирование велось с соблюдением гидродинамического подобия по критерию Фруда

Рп = = idem

Как обычно, было использовано искажение масштабов. Плановый масштаб был принят равным 250, вертикальный - 60 (под масштабом понимается отношение натурной длины к модельной). Искажение составляет 250/60 = 4,17. Многочисленные опыты, выполненные в ГГИ и систематизированные А.Б.Клавеном, показывают, что при таком искажении относительные размеры водоворотных зон сохраняются. Это важно для моделирования работы выправительных сооружений. Соответствие сопротивлений натурного и модельного русел было проверено пропуском на модели расхода 4,6 л/с, которому отвечает расход в натуре 540 м3/с. Натурный и модельный профили свободной поверхности оказались близкими.

На основании анализа колебаний стока р.Дон за время зарегулированного режима (т.е. после постройки Цимлянского гидроузла) были установлены три значения доминирующих расходов воды: расход 630 м3/с, отвечающий движению воды при затопленных побочнях; расход 1520 м3/с, отвечающий наполнению меженного русла до пойменных бровок и расход 3200 м3/с, отвечающий затоплению поймы . Эти три расхода и были приняты для моделирования выправительных мероприятий. На модели им отвечают расходы веды 5,4; 13,1 и 27,6 л/с.

Первая задача, которая решалась на модели, состояла в следующем: нельзя ли перераспределить расход по ширине нижней излучины,

ослабив скорости у правого берега и увеличив их у левого с помощью дноуглубительных работ, то есть путем подрезки левобережного побочня? На модели были исследованы два варианта подрезки: большая подрезка, простирающаяся почти на всю длину побочня,и малая, задевающая лишь его центральную часть, сильнее всего выдвинутую в реку. Опыты показали, что большая подрезка приводит к недопустимому снижению уровней, малая - к местному уменьшению скоростей течения, следствием которого может стать быстрая заноси -мость сделанной прорези. Принципиальный недостаток вариантов с дноуглублением состоит в том, что она сохраняет образовавшуюся к настоящему времени кривизну правого берега, которая всегда будет стимулировать свой дальнейший рост. В результате этих предварительных опытов был сделан вывод о необходимости применения на нижней излучине активных сооружений - берегозащитных шпор. Вариант крепления берега с помощью бетонных плит или каменной наброски был отклонен по причине высокой стоимости таких работ (полная высота откоса более Юм), а также в силу уже высказанного соображения: выправление должно вернуть русло к его более раннему состоянию -с меньшей чем сейчас кривизной берега, а не закреплять наличное уже неудовлетворительное его состояние.

Исследовательская работа развивалась дальше следующим образом. После нескольких проб была построена правобережная граница выправительной трассы - проектная линия уреза правого берега при доминирующем расходе 630 м3/с, удовлетворяющая требованию плавного и непрерывного изменения ее кривизны. В луночке,образованной линиями современного и проектного берега, были разбиты оси пяти шпор. Число этих сооружений было установлено опытным путем,исходя из требования, чтобы расстояния между смежными сооружениями были равны критическим. Длины сооружений получились от 45 до 65 м в натуре.

Расположение и длины сооружений в дальнейших опытах не изменялись. Менялся только их продольный профиль.

Были исследованы на модели следующие варианты сооружений:

1) шпоры с горизонтальным гребнем на высоте пойменной бровки, то есть защищающие берег по всей его высоте, дальше они именуются нез атопленными;

2) шпоры с горизонтальным гребнем, возвышающиеся на 0,5 м над проектным уровнем путевых работ (расход воды 380 м3/с);

3) шпоры с горизонтальным гребенем, на высоте 0,5 м над уровнем воды, отвечающим нижнему доминирующему расходу 630 и3/с;

4) шпоры с круто наклонным гребнем - "ныряющие", с корнем на уровне бровки пойменного берега; уклон гребня 1:30.Для шпор

по третьему варианту был исследован подвариант с засыпкой песком промежутков между сооружениями.

Выводы из выполненных экспериментов следующие:

Первый вариант - с незатопленными сооружениями - не может быть рекомендован, вввду заведомо больших объемов работ и высокой стоимости сооружений. Второй вариант - низкие шпоры - не эффективен, он не защищает берег даже при меженных уровнях. Третий вариант дает благоприятную картину движения потока вплоть до уровня высокой межени. Однако при более высоких уровнях положение меняется: постоянный удельный расход на горизонтальных гребнях сооружений создает скорости течения больше бытовых, то есть понижает устойчивость верхней части берегового откоса. Засыпка грунтом меяухубунных промежутков повышает скорости течения над гребнями сооружений и поэтому не может быть рекомендована. Ныряющие сооружения защищают откос по всей его высоте и существенно уменьшают расхсд материалов по сравнению с высокими (незатопленными) сооружениями с горизонтальным гребнем. Этот вариант, предложенный диссер-

тантом, рекомендуется к применению.

Условия р.Дон можно считать типичными для равнинных рек с песчаным дном. Как показывают выполненные опыты, скорости обтекания берегозащитных шпор на таких реках не велики (лишь редко превышают 1,5 м/с). Поэтому шпоры можно намывать из песка с последующим креплением их поверхности отсыпкой гальки или щебня.

В четвертой главе дан теоретический анализ начальной стадии меандрирования и предложен способ прогноза деформаций вогнутого берега слабо развитых излучин. Исходное положение формулируется следующим образом: процесс развития изгиба русла есть процесс с положительной обратной связью. Изгиб берега создает ускорение прибрежных масс воды. Это ускорение вызывает размыв берега, то есть усиливает его кривизну. Скорость роста кривизны, то есть производная Зк/а£ возрастает вместе с кривизной К . К другим факторам изменения кривизны относятся: характерная крупность русловых наносов с1 , плотности частиц грунта и несущей жидкости $ и р , касательное напряжение на дне потока

где т - безразмерный коэффициент пропорциональности.

Из написанного уравнения следует, что в начальной стадии развития излучины, когда глубина русла и уклон свободной поверхности мало отличаются от глубины и уклона в прямолинейном русле, кривизна вогнутого берега растет по показательному закону.

В вершине кривой кривизна имеет максимальное значение

Т0 = ¿У* , где 1Г* - динамическая скорость. Исполь-

зовав соображения размерности, получаем:

(4.1)

Подставив в уравнение (4.1) вместо величины К величину Кшах и выполнив интегрирование, получаем:

Кшах ) = Ктах(О) ехр (П1 (4.2)

1 Jf^i 1

Линию слабо изогнутого берега можно принять за отрезок синусоиды, для которой действительно выражение

1Гга , л

Ктах — jî. (4.3)

где а - амплитуда кривой и l ее шаг (см.рис.1).

Использовав уравнение (4.2), получаем выражение для амплитуды кривой:

а = ¿г Кшах(0)ехр (m / П С4.4>

Скорость отступания вогнутого берега дается формулой:

¿а 1г

-J^ = Ктах (о) П ехр Сn-fc ) (4.5)

ç a(t) 1 V* , ,

Проверка полученных соотношений была выполнена путем сопоставлений повторных съемок 56 слабо развитых излучин II рек Европейской территории России и Западной Сибири. Проверка состояла в построении графиков связи

где

РисЛ. Осевая линия излучины по дуге синусоиды в начальной стадии меацдрирования

Рис.2. Линейная связь между и временем

о

для излучин р.Дон

Все такие графики оказались линейными и предположение о росте амплитуды кривых в начале развития меандр по показательному закону полностью подтвердилось. Один из графиков связи показан на рис.2.

Линейная связь

Еаа(У= Гяа(Ь) + а*г (4.7)

дает возможность прогнозировать развитие меандр в начальной стадии этого процесса. Для такого прогноза надо располагать значениями амплитуды кривой в моменты времени 1 = 0 и . Определив по формуле (4.6") значение коэффициента а , можем затем задаться" значением времени и найти по уравнению (4.7) величину а.(-1г) . Этим методом можно пользоваться пока отношение длины кривой к ее шагу не превышает 1.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации предложено решение задачи о стабилизации размываемого вогнутого берега равнинной реки в начальной стадии меандрирования. для выработки этого решения выполнен цикл экспериментов на жесткой гидравлической модели слабо изогнутого участка р.Дон, на котором расположен крупный водозабор.

Рассмотрено несколько вариантов стабилизации с применением дноуглубительных прорезей и берегоукрепительных шпор разной высоты и конфигурации. Эксперименты позволили проанализировать структуру потока во всех вариантах стабилизации с охватом широкого диа-

пазона расходов воды. Рекомендовано применение шпор с круто наклонным гребнем, примыкающим к бровке защищаемого берега.

Теоретически исследован процесс начального искривления берега и установлено, что он развивается по показательному закону. Этот результат подтверждается репрезентативным рядом русловых съемок излучин. Предложен метод прогноза деформаций размываемого вогнутого берега в начальной стадии этого процесса.

Отпечатано на ротапринте ЛИВТа

26.04.93. Заказ 37. Тираж 100 экз. Бесплатно.