автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Влияние фильтрации грунтовых вод в канал на устойчивость русла в несвязных грунтах

па ии 1 5 ОПТ 1895

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ ¡И МЕЛИОРАЦИИ, им. А.Н. КОСТЖОВА

На правах рукописи УДК 626.212

II ШУТИ НА ЛОЛА РУДОЛЬФОВНА

ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ГРУНТОВЫХ ВОД В КАНАЛ НА УСТОЙЧИВОСТЬ РУСЛА В НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Специальность 05.23.16. - Гидравлика и инженерная пирология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в ПО "Совинтервод"

Научный руководитель: член-корр. Академии водохозяйственных наук

доктор техн.наук., проф. > Т.А.Алиев

Официальные оппоненты: Действительный член Академии водохозяйственных наук, член-корр. МИА и РИА,

доктор техн.наук, проф. -Д.В.Штеренлихт

Кандидат техн.наук, с. н. с. у И.СЛапидовская

Ведущая организация: инженерный центр "Союзводпроект".

Защита диссертации состоится " 1995 г. в часов

на . заседании диссертационного Совета - К 099.05.02 во Всероссийском научно-исследовательском институте пиротехники и мелиорации им'А.Н.Костякова.

Автореферат разослан

" С( " 1995г.

Отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направить по адресу: 127550, Москва, Большая Академическая ул., 44, ВНИИГиМ, диссертационный совет.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат техн.наук, с.н.с.

С.Ш.Зюбенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При проектировании водохозяйственных и мелиоративных объектов и разработке природоохранных мероприятий

г

возникают вопросы, связанные с расчетом и прогнозом устойчивости русел оросительных каналов и зарегулированных рек. В последнем десятилетии выполнялись прикладные исследования целевого совершенствования и развития методов расчета устойчивости русел водотоков, повышения научной обоснованности и надежности расчетов. По результатам этих исследований разработаны практические рекомендации по гидравлическому

г

расчету земляных русел и прогнозированию общих русловых деформаций. • Несмотря на достигнутые успехи современные методы для решения прикладных (инженерных)'задач еще далеки от совершенства.

В натурных условиях на русловой процесс оказывают влияние многие факторы, такие как уклон, шероховатость русла и состав донных отложений, турбулентность и мутность потока и др. Более полный учет их является важной задачей.

Одним из таких малоизученных, но важных факторов, влияющих как на кинематику потока, так и на формирование рельефа водотока, является фильтрация грунтовых вод в русла каналов, рек через откосы.

Фильтрация грунтовых вод в русло приводит к нежелательным деформациям русла, к изменению его поперечного сечения и ухудшению условий эксплуатации всего комплекса гидротехнических сооружений. Таким образом, объектом исследования являются канаты, работающие на притоке воды извне, где наиболее опасна нормальная составляющая силы фильтрации, вызывающая отрыв частиц грунта по периметру русла.

В разделах гидравлики и динамики русловых потоков влияние фильтрации наряду с турбулентными характеристиками потоков на устойчивость русел водотоков рассмотрено недостаточно. Поэтому необходимо рассмотреть механизм взаимодействия между потоком и руслом при влиянии фильтрации в русло и. процесс развития русла, в. итоге которого достигается-. соответствие между расходом руслового потока и ■ размерами поперечных сечений. •. , " . ,

Изучение закономерностей эрозионных процессов невозможно не только без учета показателей физико-механических свойств фунтов русла водотоков, но и фильтрационных и кинематических характеристик фунтовых вод и водных потоков. Проблемой устойчивости земляных русел в инженерных целях занимаются разделы отдельных отраслей наук -гидравлика, механика фунтов, инженерная геология, гидрогеология, динамика русловых потоков. Анализ современной литературы позволяет сделать вушод, что недостаточно полно рассмотрены вопросы, связанные с взаимодействием потока и русла при наличии фильтрации в канал через его откосы. Например, в механике фунтов рассматриваются условия статической устойчивости откосов земляных сооружений, в том числе и каналов, что не дает ответа на вопрос о динамической устойчивости, ибо не учитывается фахтор одновременного влияния фильтрации и руслового потока в рамках гидравлического приближения на состояние устойчивости русла. В гидравлике и инженерной гидрогеологии вопросы устойчивости русел рек и каналов в основном рассмотрены без учета фильтрации в русло,

г-

которая является одним из важных факторов, определяющих состояние устойчивости русла.

Указанные выше обстоятельства диктуют необходимость проведения исследований, направленных на изучение воздействия фильтрации в русло и динамических характеристик потока воды на частицы фунта береговых

откосов водотока, а также разработку способа расчета устойчивости каналов

г

II зарегулированных рек с учетом влияния фильтрации в русло через откосы.

Целью диссертации является разработка способа расчета устойчивости каналов, зарегулированных рек, работающих на притоке воды извне, т.е. с учетом фактора одновременного влияния фильтрационного и руслового потока.

Для достижения поставленной цели рассмотрены и решены следующие задачи:

- разработка физической схемы и создание математической модели расчета гидравлических параметров и формы поперечного профиля русла канала при влиянии фильтрации в русло;

- выполнение численных расчетов гидравлических параметров канала, его равноустойчивого профиля, испытывающего влияние фильтрации; сравнение их с данными экспериментов;

- разработка способа расчета гидравлических параметров каналов в однородных несвязных грунтах с учетом влияния фильтрации в русло через откосы.

Решение перечисленных задач осуществлялось на основе анализа работ в области отдельных отраслей наук: гидравлики, механики грунтов, инженерной геологии, гидрогеологии, геомеханики, динамики русловых потоков, а также на основе экспериментальных исследований с использованием системного подхода при анализе данных численных экспериментов.

Защищаемые положения. На защиту выносятся:

- формулы для расчета гидравлических параметров канала, зарегулированных рек, сложенных несвязными грунтами, при фильтрации в русло через откосы;

- зависимость для построения поперечного профиля русел этих водотоков; ' '

- формула для расчета неразмывающей скорости при наличии фильтрации в руслр канала; . ..... . . ■ .•

- способ расчета устойчивости каналов и зарегулированных рек при наличии фильтрации через откосы.

Научная новизна заключается в том, что предложен способ для расчета гидравлических параметров каналов, зарегулированных рек, при фильтрации в русло через откосы;

- уточнены формулы для расчета гидравлических параметров канала, сложенного однородными по крупности несвязными грунтами, а также уравнение для построения равноустойчивого поперечного профиля русла при влиянии фильтрации в русло;

- введен поправочный коэффициент, учитывающий фильтрацию грунтовых вод в русло при расчете гидравлических параметров канала, пределы его изменения для различных грунтов, слагающих русло;

- получена формула4 расчета коэффициента откоса русла при действии фильтрации грунтовых вод в канал;

- получено выражение для расчета неразмывающей скорости и на основе, перечисленных результатов разработан способ расчета гидравлических параметров водотока с учетом влияния фильтрации через откосы.

Практическая значимость работы. Разработанный способ расчета . устойчивости русел предназначен для использования при проектировании и эксплуатации объектов водохозяйственного и мелиоративного назначения.

Публикация работы. Содержание диссертации опубликовано в 3 статьях.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертации использованы при разработке методических указаний по обоснованию природоохранных мероприятий в бассейнах малых рек РФ, а также при разработке проекта инженерной защиты г. Бабаево Вологодской области от паводковых вод р. Колпь.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: заседании секции гидротехники и мелиоративного строительства Ученого Совета ВНИИГиМ им. А.Н.Костикова, секции гидравлики, инженерной гидрологии (1995 г.), ПО "Совингервод" (1994 г.), 1У конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних^ окраинных морей" (1994 г.).

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 140 страниц содержит 105 страниц машинописного текста, 12 рисунков, 13 таблиц, список литературы в 120 наименований.

В первой главе выполнен анализ работ отечественных и зарубежных ученых по изучаемой проблеме.

Сформулированы-есновные термины по вопросам устойчивости русла применительно к искусственным земляным руслам (устойчивые, переходные и неустойчивые русловые режимы). ч (

Далее рассмотрен устойчивый русловой, режим при наличии фильтрации в русло. При этом допускается, что уровень грунтовых вод выше чем уровень воды в русле канала. Под устойчивым русловым режимом подразумевается режим, при котором скорости; течения могут * превышать скорости начала подвижки' частиц грунтов Vh (Ун -непередвигающая скорость потока для частиц грунтов русла). Здесь допускается появление микроформ - элементарных деформаций (рифелей,

град к активен) и вообще ограниченных деформаций, которые не влияют на эксплуатационные условия комплекса ГТС (Р.Р.Чугаев, ИЛ. Кузьмин, С.ХАбальянц, В.СЛлгунин, МАМихалев, АД.Гирпшов, В.П.Троицкий, и другие ученые).

Устойчивому русловому режиму соответствует статически устойчивое русло. Статически устойчивое русло характеризуется отсутствием грунтообмена между потоком и руслам, частицы поверхностного слоя которого находятся в условиях предельного равновесия (В.П.Троицкий). Для гидравлического расчета канала, соответствующего условиям устойчивого руслового режима, широко применяются приближенные полузмпирич'еские методы допускаемой (неразмывающей) скорости и влекущей силы потока.

Гидравлические методы оценки размывоустончнгсгп: грунта с помощью допускаемых неразмывающих скоростей или допустимой (критической) влекущей силы потока для устойчивого руслового режима не учитывают влияние фильтрационных сил на русло канала. При этом предполагается, что берега недеформируемые. Между тем размыв откосов (боковая эрозия) является важным фактором в нарушенни устойчивости русла.

^Основной причиной разрушения откосов, находящихся в зоне действия грунтовых, и наземных вод, является гидродинамическое давление грунтового потока, которое создает дополнительное сдвигающее усилие на грунт и вызывает нарушение местной устойчивости, обусловленной 1еформациями отдельных зон откоса.

Из существующих методов расчета статической устойчивости откосов

(емляных сооружений, применяемых в механике грунтов, наибольшее

распространение нации графо-аналитические способы, основанные на

сруглоциливдрических поверхностях скольжения. Однако, многие из них 1 " ;ущественно различаются между собой как структурой расчетных.

(ависимостей, так и значениями рассчитываемых по этим зависимостям

)еличин, дающих в ряде случаев расхождения с натурой. Это обусловлено

-рудностью учета влияния многочисленных переменных факторов и, в

1 1 ' г .

гастносги, неучетом влияния фильтрации и характеристик водного потока «" чрезвычайно сложный процесс водной эрозии чгго, в свою очередь,

отражается в теоретических схемах и соответствующих расчетных зависимостях (И.СЛапидовская.Э.И.Михневич и др.).

При оценке влияния фильтрационных сил на устойчивость откоса на практике используют методы расчета откоса, полученные на основе предельного равновесия элемента на откосе с учетом физических и физико-механических характеристик грунта, что позволяет получить осредненные значения коэффициента его заложения''(Маслов H.H.). Однако эти методы; также как и гвдравлические методы оценки размывоустойчиЬости грунта с помощью допускаемых неразмывающих скоростей или допустимой (критической) влекущей силы потока для устойчивого руслового режима, не учитывают влияние гидродинамических характеристик потока на состояние устойчивости русла.

Для анализа воздействия сил на частицу грунта, лежащую на откосе, мы воспользуемся методом определения предельного состояния русла по влекущей силе. Этот метод имеет свои преимущества. Метод влекущей силы дает возможность по распределению продольных касательных напряжений по смоченному периметру русла л сопротивлению грунта размыву оценить раздельно неразмьюаемость дна и откосов канала. А также построить равноустойчивый поперечный профиль, что было подтверждено результатами исследований отечественных и зарубежных авторов (М.А.Михалев, АД.Гиргвдов, В.П.Троицкий, ЕЛейн, В.Т.Чоу и другие).

Во второй главе рассматривается влияние фильтрации на структуру и характеристики водного потока • Одним из первых исследователей, обративших внимание на возможное влияние фильтрационного потока на размывающие скорости, был И.ИЛеви Первые же экспериментальные исследования по изучению этого вопроса были проведены Г.Л.Рубюшгтсйном. Было установлено, что фильтрационный поток, несмотря на относительно малые значения его расхода и скорости, оказывает существенное влияние на характер турбулентности в придонном слое основного руслового потока, а, следовательно, и на распределение скоростей и на, значения сопротивлений. Однако в исследованиях

I

ГЛ. Рубинштейна была получена только качественная картина исследуемого явления: чем больше выходная скорость фильтрации по

сравнению со скоростью руслового потока, тем, при .прочих равных условиях, будет больше влияние фильтрационного потока на русловой.

Анализ литературы по данному вопросу. Васильченко Г. В., Катзмадзе Г.А., Штеренлихг Д.В., Землянникова М.В., Калинович Б.Ю. работы ученых Государственного гидрологического института (Попов О.В., Русс Ю.В.) показывает, что фильтрационные потоки влияют на величину подъемной ■ силы и лобового сопротивления • частиц, вызывая увеличение или уменьшение интенсивности отрыва частиц, ведущее к повышению или понижению шероховатости. Это, в свою очередь, вызывает повышение или понижение интенсивности турбулентности и изменение кинематической структуры потока, что' влияет на формирование дна русла и значение~ допускаемых (неразмнгакяцкх скоростей). Экспериментально установлено влияние фильтрации разной величины и направления на вертикальную, продольную и поперечную пульсационные составляющие скорости.

Так как грунт оказывает сопротивление движению воды, то последняя, в свою очередь, должна вызывать ответную реакцию в виде дополнительных эффективных напряжений, возникающих в фильтрующей

среде: в фильтрационном потоке, наряду с гидростатическим взвешиванием,

>

порода испытывает гидродинамическое давление, направленное в каждой точке вдоль- линий тока; оно обусловлено тем, что на каждый выделенный объем грунта с единичной площадью и высотой, равной расчетному диаметру зерен песка й, действует фильтрационная сила:

Ф= Го I, (1)

где I - градиент напора на поверхности откоса, меняющий свою величину и. направление вдоль участка высачивания, У о = /в * I - вес воды в единичном линейном размере диаметра грунта.

Для анализа воздействия водного потока на отдельную частицу грунта дачее рассмотрена физическая схема и. математическая модель действия фильтрационной силы на эту частицу с учетом влехущей силы.

Пространственный анализ воздействия силы тяжести и влекущей силы на частицу, находящуюся на> откосе непосредственно перед началом ее, движения, был впервые дан Форхгеймером. Полный анализ сечения канала в этом смысле был выполнен Чай-Ха-Фаном и независимо от него Бюро.

мелиорации под руководством Лейна. В последние годы метод влекущей силы для гидравлического расчета крупных каналов, сложенных несвязными грунтами, был развит в трудах российских ученых (Р.Р.Чугаев, В.С.Алтунин, М-А-Михалев, А.Д.Гиршдов, В.П.Троицкий).

В третьей главе, рассматривая частицу грунта, находящуюся на откосе канала, в котором движется вода,'без учета фильтрации в русло, можно сказать, что здесь действуют две силы: влекущая сила а го и компонент силы тяжести G sind, стремящиеся сдвинуть частицу вниз по откосу. Здесь приняты следующие обозначения: а - эффективная площадь частицы; тс -удельная влекущая сила на откосе канала; G - масса частицы, погруженной в воду, 9 - угол наклона откоса.

В русле канала, сложенном несвязными грунтами, насыщенными грунтовыми водами, возникает гидродинамическое давление фильтрационного потока, которое нарушает устойчивость откосов. При этом может происходить интенсивная деформация откосов, соответственно меняться поперечный профиль русла. При выходе фильтрационной воды на свободную поверхность откоса углы между направлением фильтрационного давления и горизонтом можно принимать равными углам естественного

откоса грунта. На основании' этого допускаем, что гидравлический уклон

■ >

фильтрационного потока при выходе на свободную поверхность откоса совпадает с предельным его профилем.

Тогда по условию предельного равновесия сила, действующая на точку грунта, расположенную на площадке, ориентированной углом в к горизонту, будет вычисляться таким образом: к компоненту силы тяжести G sin в, действующей на частицу грунта, находящуюся на откосе канала, прибавляем силу фильтрационного давления по формуле . (1). Таким образом, получаем

G' = G sin в + Ф = G sin в + j ^о /, где j - коэффициент условия работы канала при фильтрации грунтовых вод через откосы. Этот коэффициент определяется сопоставлением численных экспериментов с опытными данными (рис.1). '

В теории фильтрации, рассматривая откос на непроницаемом основании, т.е. на контакте водоносного слоя с горизонтальным водоупором при отсутствии воды перед откосом, линия тока направлена по водоупору и

Рис.1. Анализ силового воздействия на частицу, находящуюся

на поверхности ложа какала при влиянии фильтрации грунтовых вод в канал через откосы

Рис. 2. Схема расчета гидравлически устойчивого сечения

градиент напора равен I = tg в (в угол наклона откоса к горизонту) (по В.М.Шестакову). А градиент напора ( I) для случая высачивания грунтовых вод на дневную поверхность без учета капиллярной зоны равен sin в. Для подтопленного откоса распределение выходных градиентов вдоль участка высачивания оказывается более неравномерным и зона повышенных градиентов здесь сравнительно локальна. .

Так как мы рассматриваем крупные водотоки в земляных руслах, где угол откоса принимается от 0 до 20 градусов, то в затопленном канале для такого откоса градиент напора вдоль участка высачивания меняется незначительно (от sin б до tg6). Это дает основание принять в первом приближении все. линии тока в пределах участка высачивания горизонтальными с градиентом напора ¡z = sin 8. Таким образом, при создании нашей расчетной схемы, при высачивания грунтового потока в канал через подводный откос, мы берем за основу это допущение.

По аналогии с анализом воздействия сил на частицы откоса, проведенным Лейном, можно сказать, что результирующая сила R равна сумме G' = (G sin в + j J о sin 9) и компонента влекущей силы а т0 :

R — "\|(Gsin в +j rosin + а2 г, 2 .' (2)

-В. соответствии с законом механики можно принять, что движение частицы начинается при равенстве сопротивления ее движению силе, вызывающей это движение. Сопротивление движению частицы равно силе G cos в умноженной на коэффициент трения tg <р , где <р - угол естественного откоса.

G cos в tg <р = \|(G sin в -i-j/о sin в)1 + а2 Т0 2!

Решая это уравнение относительно удельной влекущей силы, получим:

= G/a cos в tg <р

1в20 (1 -2}/о/0-р уо 2Д}2)

1------------------------------ • (3)

tg2 <р

Аналогичньш образом получим выражение влекущей силы из условия начала движения частицы по горизонтальной плоскости под действием влекущей силы ага . При 9 = 0 (& угол наклона- откоса к горизонту) имеем уравнение:

й

Тд -----(4)

а ,

Отношение т0 к ^а называется коэффициентом влекущей силы. Из уравнений (3) и (4) это отношение равно:

К = ----= соб 9

1--------------------------------------

(5).

Для влекущей силы, действующей на некоторую элементарную площадку АВ на откосе единичной длины, (рис. 2) можно написать следующее выражение: тд - у в Ь I с!х, где У в - удельный вес воды, Ь -глубина воды на площадке АВ, I - продольный уклон. Поскольку площадь площадки АВ равна^|(сЗх)2 + (6Ь)2 , удельная влекущая сила составляет: •

/в Ь1 (1х •

------------- =/в Ь I соя 9,

" "\|((1х)2 + (сЗЬ)2' где д - угол на:слона касательной к АВ.

Удельная влекущая сила на уровне дна на центральной оси канала,, где Ьо - глубина потока на центральной оси канала: тд = у в Ь I . Соответствующая удельная влекущая сила на наклонной площадке АВ равна: г0 = уъ Ьд I К .

При достижении начала движения по всей поверхности ложа канала должны бьггь равны две силы, упомянутые в предыдущих пунктах

УъЪ I соз 0 ¿/вЬо 1К, или Ь «я в - Ъд К .

Подставляя выражение для К,' выведенное ранее (5) с учетом фильтрации в русло, " и выражение tg-1 (сШ/Лс) для в, получим дифференциальное уравнение: —

^/^^^-((¡ь/дхЯо-гз уо/о-ру^/в2 ) р.

На оси канала Ь=ЬС и х=0. При этих условиях решение дифференциального уравнения имеет вид:

ч ^^ГтЧО^г^Т^Т

Ь = сое (----------------х) .

Ьо (б)

Это выражение определяет лоперечньш. профиль предельно.устойчивого канала при наличии фшьтрации грунтовых вод в русло. При этом форма гидравлически устойчивого сечения описывается, также как и в модели • Лейна, косинусоидой.

При h = 0 и Х=В/2 и принимая выражение^ 1 -2 j/o/G - j2/o 2/G2 )= Ко , формула (б) имеет вид:

tg 9 Ко

cost--------В/2 ) = 0.

ho ■ • ■

Отсюда для ширины канала по верху получим:

'■ ' я h<> ' ' '

В =--------------(7)

tg <р Ко . N Одним из основных гидравлических элементов проектируемого канала

является такой параметр формы русла B/hcp, при котором обеспечивается

устойчивость сечения канала при минимуме эксплуатационных затрат на

поддержание его пропускной способности. Параметр формы русла B/hcp, в '

нашем случае, полученный для каналов при условии фильтрации грунтовых

вод, будет равен: it 2

B/hcp = ----------------------------(8)

2 tg Ко.

Решая совместно формулы (7) с формулой Шези-Маннинга, получим следующее выражение для максимальной глубины воды (ho ) в канале:

/Qntgp.Ko 0>462

ho =

\

(5)

\ (1,52-0,21 tg 0 К Для теоретического сечения русла канала:

7 tg р Ко

h = ho eos (---------В/2

_' ^ К

Значение ~\¡(1 - 2 tfo/G - pfo2/G'2j, где G = к ¡в (рг - pe) g á\ будет равно: • "

(10)

Ко =

2J/B

ЯУв =

я/б (Гг - Ы (Г г - Г в) 2 . (11)

Значение коэффициента условия работы канала при • фильтрации грунтовых вод (Ко) через откосы установлено сопоставлением численных расчетов с натурными данными. Расчетное значение К^ меняется от 0,3 до

1. Коэффициент (¡)* в формула (И) имеет значение 0,25. Очевидно, что

даже при Q = const, ширина ханала с учете;.! фильтрации (Вф) будет больше, чем ширина канала, не учитывающего фильтрации в русло (В).

Современные зависимости допускаемых (неразмывающих) скоростей выведены с возможно более полным учетом факторов, обусловливающих процесс размыва, чем выражения влекущей силы. Поэтому когда для расчета необходима влекущая сила, ее следует устанавливать с помощью допускаемой (неразмывающей) скорости течения (Ц.Е.Мирцхулава).

По аналогии с известной формулой Шези при определении значения предельной удельной влекущей силы потока используем следующую зависимость:

' Г„<ф) = (и2 «wffl^sl/C? V (12)

где UH доп ($>) " допускаемая неразмывакнпая скорость при наличии ф:мьтрации в русло, С - коэффициент Шези.

Для учета влияния, фильтрации в русло канала на допускаемые (неразмывающие) скорости использован метод расчета по предельному состоянию, а на турбулентность - отношение U = (Umax /U)z, представляющее собой отношение придонной мгновенной максимальной продольной скорости (Umax ) к осредненной скорости в этой точке (U) (Ц.ЕМирцхулава).

'"Пусть частицы несвязного грунта имеют форму в виде шара и одинаковую сопротивляемость сдвигу на дне потока, тогда предельное состояние частицы, расположенной в ложе русла, можно выразить приближенным уравнением (ТААлиев):

Px + KffPz=Kff(KdG+W0KcC«yH (13)

где G - масса частицы грунта в воде, f - коэффициент трения зерна о дно, С" уд - усталостная прочность на разрыв несвязного грунта. Kf Kj К, -коэффициенты однородности грунта, учитывающие неоднородность трения (f), диаметр частицы (наносов) (d) и силы'сцепления грунта (С).

Масса частицы в воде и площадь миделя опорной части грунта ' определяются соответственно по формулам:

■ ' ' G = я/6 {рг - рв ) gdl; . Wc = х/А a,

Поскольку определяющими силами при взаимодействии потока с частицами грунта'являются силы Рх ( лобовое результирующие усилие) и

?г (равнодействующая подъемного усилия), а также С, <р, О, то равенство (13) можно записать в следующем виде:

Рх+ КгГРг-М/Пф (КаОа +УГвКеСуя),

где Пф - коэффициент, учитывающий влияние фильтрации на значение вертикальной пульсационной скорости потока, а также влияние пульсационных характеристик потока на критическое состояние (срыв и сдвиг) частицы грунта, значение которого в дальнейшем будем определять по натурным и лабораторным данным, опубликованным в литературе. С учетом значений соответствующих параметров уравнение (13) напишем в виде

=КгГ 1*/6 (р, - р.) Ка+л/4 с3 ^ К^ С « у„ ],

(14)

где коэффициенты лобового и подъемного усилий, по данным М. А. Дементьева, при неравномерном поле скоростей у дна равны \ = 0,40.. .0,45 и 1, / 4 = 0,25. В равенстве (13) коэффициент Кг - характеризует вероятность отклонений значений угла внутреннего трения от его среднего значения. Коэффициент Кг больше зависит от влажности грунта и его значение при .расчете допускаемых, (неразмывающих) -скоростей -можно определять -по приближенной зависимости:

Кг -А,,/Л- <15>

где р. - объемная масса грунта при естественной влажности; р„, -

объемная масса взвешенного и насыщенного водой грунта р„,~ (1-п пор )*

*(Л - Р.)\ п Пор - относительная пористость грунта.

Коэффициент Ка выражает •вероятность отклонения размеров частиц от их средних значений. Для однородных по крупности несвязных грунтов, К^ =1. - \

Коэффициент Ко характеризует вероятность отклонения "сил сцепления грунта от его среднего значения. Для грунтов с однородным сцеплением -Кс = 1. В приближенных расчетах можно принять Кс = 0,5.

Значения коэффициентов а ,, с3 , с3 , Л х , X г зависят от формы, плотности размещения частиц и от условий обтекания и, согласно данным

экспериментов Ц.Е. Мирцхулавы, В.Н.Гончарова, принимаем а , = 0,5; а2 = 0,785; аг3= 0,9. Далее имеем из (14):

Г—— .

ил4 ------------------- * [х/6 (рг - р,)ёй Ка +л-/4 С «ун ].

\| ПфЛ (Лха1+Лга2К(0 (16)

Принимая. распределение скоростей по комбинированной кинематической модели (Т-А.Алиев) и выражая донную скорость на высоте выступа частицы (обычно а. = 0,7(1 ) через среднюю скорость потока, из (16) получим:

' 1,25 ив 1-(гП)/Н)х+1

[ г^/Н * 1§ (8.79 7^1 А ) +--------------- * ]8 (23,86 гфМ) ] .

(х+1)*( 7^/Щ* (17)

Далее, с учетом численных значений соответствующих параметров (коэффициентов) из (16) и (17) для определения значений несдвигающих скоростей течения воды в несвязных грунтах, получаем следующую 'формулу: ' "

мг^/н)*^

и кр = /Н*13 (8.79 /а) +----------------- * 12 (23,862^р/б) ] *

(х-И)*( т^/яу

2 Кг г , ,

--------------------А -Л)Е<1+1,35КССНУ11].

Зпф р, (0,21 +0,08 Кг1) (18)

При этом усталостная прочность, на разрыв для мелкозернистых грунтов природного плотного сложения определяется по формуле Ц.ЕМирцхулавы:

С'р» 176 * (106 * (1)-1 . .'. ,

По экспериментальным данным В.Н.Гончарова и Ц.Е.Мирцхулавы, численное соотношение между размывающими и несдвигакшшми скоростями принимаем Чр = 1,4 Ын , то есть:

Мг^/Н) ««

и н = [Ъ^т * к (8-79 2^/4) +---■------- * )е(23,86 2^/й))

(х+1)*( г,,,/«)*

2 Кг f •

------------------* К А - Р.) £¿+1,35 Кс С % ];

3 Пф р, (0,21 +0,080

ир=[2^/Н*1В(8.79 21р/й)Ч- ---------¿(23,8бТ^/й) ] *

(х+1)*( 2Ф/Н)Х'

2 Кг Г

--------------------- * КА - Л) §а-н',35 «ун].

1,5 Пф р, (0,21 +0,08К ,-0 (19)

Тогда формула для определений значений допускаемых (неразмывающих) скоростей в однородных по крупности несвязных грунтах будет иметь вид:

и„доп= 12^*^(8.79^/(1)+—--------- -(23,36г^р/а) ] -

(х+ич^/Н)*

2 Кг { . . '

---------___---. [(Л - р.) 8й+1,35 Кс С «ун].

1,5 Пф р, (0,21 +0,08К г0 (20)

Для нахождения значений параметра Пф были обработаны, экспериментальные данные Землянниковой М.В. По расчетным значениям (допускаемой) неразмывающей скорости бьши вычислены значения Пф дня формулы (20). Полученные кривые для различных диаметров частиц грунта аппроксимируются следующим эмпирическим выражением:

п ф = [ 1 + (С3ф/ (2р )°>3 18 (Н/а) ]. (21)

Тогда выражение для неразмывающей скорости потока при фильтрации в канал будет следующее:

инЯоп(ф)=[2п/Н*12(8.79 г^/А) + —------------* ¡8(23,3бТ^/й)} *

(х+1)*( т^т

1)5*[1+(Рф /Ор)0,3 ^(Н/<1)]0,21+0,03 КгГЦр, - Л)гё+1,35КсСнун1 •

• (22)

Необходимо отметить, что значение коэффициента гц> существенно ' зависит от параметров турбулентности, которые, в свон> очередь связаны с величиной относительного фильтрационного расхода (С?ф/0р), его направлением и диаметром частиц (рис. 3).

Анализ полученной кривой показывает, что при влиянии фильтрации на структуру и характер водного потока, неразмывающая скорость потока, во-первых, изменяется, во-вторых, фильтрация в русло приводит к . снижению допускаемой (неразмывающей) скорости (рис.4).

Для расчета значения относительного расхода (Оф/Ор) необходимо рассчитать расход • фильтрационного Потока (<3ф). Значение расхода грунтовых вод определяют по зависимости Дюпюи (рис. 5):

Н20 - Ь20

ч =----------------- , (23)

гдеЦ, = 1^+41. = Ц,+ ИфН0, - (24)

Цр - расстояние от вертикального сечения с максимальным напором грунтовых вод до уреза воды, м;

Оф _ ДЬ - соответственно коэффициент и удлинение пути фильтрации (м) в связи с потерями напора в водном сечении и несовершенством земляного сооружения по степени вскрытия пласта;

огф - определяется по графикам С.Н.Нумерова; для земляных перемычек с вертикальным верховым откосом (шв = 0) и каналов значения а фИ д Ь можно приближенно определить по формулам: аф= 0,134 Т/Н„ = 0,134 Т при Т/Но <0,5; Иф =0,63Т/Но-0,25 д Ь =0,63 Т-0,25 Н0 приТ/Но >0,5.

а для земляных сооружений с коэффициентом гаЕ = 1,5.....2 Сф = 0,35;

притв>2 а ф = 0,40. Для однородного пласта Л L = 0,44 Н0 .

Таким образом, подставляя значение расхода (23) в формулу (22), можно рассчитать допустимую (неразмывагащую) скорость потока при влиянии фильтрации в русло канала. -

Для расчета предельных значений удельной влекущей силы потока по формуле (12) необходимо еще вычислить коэффициент Шези. Для расчета коэффициента Шези при сохранении в канале условий устойчивых русловых режимов можно использовать формулу;

MZ^/H)^

сш = 0,8 Е [ Zrp/H * lg (8.79 Z^/d ) +--'---- J *

(x+l)*( Zrp/H)x

* lg (23,86 Z^/d) * [ cos (1,17 Xv + 1,17) + 4,59 ], (25)

где Zrp = 0,15 H, x = 0,2; Xv = 1,2. В четвертой главе для правомерности применения при расчете русел каналов полученных формул, был выполнен численный эксперимент. , Поскольку водный режим крупных осушительных каналов аналогичен речному, можно до известной степени распространить на них и те закономерности, которые присущи речным руслам. Основываясь на этом

положении были использованы натурные данные по рекам' и каналам

>■ •

Полесья, а также натурные данные и расчеты гидравлических параметров, выполненных для регулируемого водотока ' реки Пра ВНИИГиМом. Характерной особенностью этих рек является неглубокое залегание грунтовых вод и влияние их на устойчивость русел.

Результаты вычислений по полученным формулам (7) - (10) и сопоставление их с натурными данными показало в целом удовлетворительное совпадение. Анализ сопоставления данных расчета подтверждает положение о внесении в фбрмулы расчета гидравлических параметров канала, с учетом влияния фильтрации в канал, поправочного коэффициента. Коэффициент К,, , изменяющийся от 0,3 до 1, указывает на фильтрацию в русло через откосы, сложенные несвязными грунтами б осветленных потоках.

Рис. 3 Изменения в зависимости от относительного фильтрационного расхода ч диаметра частиц грунта

Лф

I

1.5

с1-0,2.5мм

ДОЛ 0Д[6 0018 Щ2Г- ОрШ

си

'а

р-

Рис. 4. Изменение допускаемых (неразмывагопшх) скоростей в зависимости от относительного фильтрационного расхода

02 0.-19 0.-18 од

6 --0,75 ни

_1_1_

О^Ц 0,016 0.045 0,02 0,022

т/аР

I1;

Далее был создан алгоритм расчета гидравлических параметров искусственного водотока, сложенного несвязными грунтами (без защитного покрытия), испытывающего фильтрацию в русло канала. Автором была написана программа расчета на ЭВМ, включающая расчет гидравлических параметров канала по формулам (7) - (10). Расчет осуществлялся на IBM PC 486. Используя расчетную модель, можно производить расчет гидравлических параметров искусственных водотоков, сложенных несвязными грунтами, при влиянии фильтрации в русло через бортовые стенки канала.

Также был произведен сравнительный анализ натурных коэффициентов откоса и расчетных значений коэффициентов откоса, по предложенной в работе формуле:

m = ctg (р Ко), (26)

с коэффициентами откосов, рассчитанным): по формулам Н.Н.Маслова, А.Ф.Печкурова, В.М.Шестакова, Э.И.Михнеьича,М.М.Гришина (таблица 1). Анализ показывает близкие результаты измеренных (натурных) коэффициентов откоса и расчетных коэффициентов откоса, рассчитываемых по формуле (26). В таблице 1, h- - высота высачивання, при которой наступает переход от сплошного стекания потока по откосу к образованию отдельных .ручейков; для мелко,- . и .среднезерцисшх. цесков ..молено принимать Ь в 0.1'м, для крупнозернистых h' s 0.15 м.

Для проверки влияния фильтрации в канал на допускаемую (неразмывающую) скорость для - русел ■ использовались результаты экспериментов по изучению влияния . фильтрационных потоков на допускаемые (неразмывакяцие) скорости, проводимые в лаборатории водохозяйственных сооружений ЦНИИКИВра (г. Минск) и сравнивались со значениями неразмывающей (допускаемой) скорости потока, рассчитанной по формуле (22).

По результатам сравнения подтвержден вывод, что влияние фильтрации в русло на структуру и характер водного потока' приводит к .изменению коэффициента перегрузки (Пф), входящего в формулу допускаемой (неразмывающей) скорости. Коэффициент перегрузки существенным образом связан со значениям относительного фильтрационного расхода и диаметром частиц грунта.

Рис.5. Схема для расчета расхода фильтрационного потока

■-Т.- .. •.-.-:•.•:■■•:• •_-.......а- ■■' ■■■ З^Г"

'■'•*-V

ЛЧ ■■;/ .//'у/У »V м",„'}/г ~/// /// ' Рис. б. Устойчивые поперечные профили реки Пра

М

1 - профиль русла р.Пра,' по данным натурных исследований

ВНИИГИМа,выполненные под рук. докт.тех.наук Михеева В.П. (1955 г.)

2 - профиль канала, рассчитанный по формуле (10

Увеличение коэффициента перегрузки ведет к уменьшению значения допускаемой (неразмывающей) скорости.

В заключении даны обобщающие рекомендации по расчету гидравлических параметров канала и формы поперечного профиля русла при фильтрации в русло канала грунтовых вод. Приведен пример расчета устойчивости канала при фильтрации грунтовых вод в русло.

Основные результаты исследований использованы ПО"Совинтервод" при разработке методических указаний по обоснованию природоохранных мероприятий в бассейнах малых рек РФ, а также при разработке проекта инженерной защиты г. Бабаево Вологодской области от паводковых вод р. Колпь. •

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

Г. Анализ результатов работ отечественных и зарубежных авторов показал, что, несмотря на достигнутые успехи по проблеме устойчивости земляных русел водотоков в таких отраслях наук, как гидравлика, механика

грунтов, инженерная геология, гидрогеология, динамика русловых потоков,

/

до сих пор недостаточно проводились исследования влияния фильтрации на систему "поток-размываемое русло", а также влияние фильтрационного потока на изменение формы поперечного профиля русла, глубины (Ь), ширины (В), относительной ширины (В/Ъср) канала, уклона, неразмывающей скорости руслового потока.

В настоящее время выполнен большой объем работ по проблеме учета влияния фильтрации грунтовых вод только на- устойчивость откосов каналов, зарегулированных русел рек.

- 2. Сравнительный анализ выполненных исследований по расчету устойчивости водотоков в земляных руслах показал, что для взаимного учета

•взаимодействия потока и русла земляного водотока при наличии

\

фильтрации, наиболее удобным методом является метод влекущей силы. Достоверность этого метода без учета влияния фильтрации была проверена многочисленными исследованиями зарубежных и отечественных ученых. Для оценки влияния фильтрации на русловой поток важно, что этот метод позволяет по распределению продольных касательных напряжений по смоченному • периметру русла и сопротивлению грунта размыву оценить

раздельно и устойчивость дна, и откосов, а также построить равноусгойчивый поперечный профиль.

3. На базе проведенного анализа усовершенствована схема силового ■ воздействия на частицу грунта, находящуюся на откосе русла канала при движении руслового потока и фильтрационного потока в русло. Было выведено расчетное уравнение (3) из условия предельного состояния, в котором через коэффициент (К„) учитывается влияние фильтрации на частицу грунта.

4. Аналитическое решение уравнения позволило уточнить и получить с учетом фильтрации в канал:

- уравнение (6) для построения поперечного профиля русла канала в однородных по крупности несвязных грунтах;

- формулы (7)-(9) для определения ширины (В), относительной ширины (В/Ъ^р), максимальной глубины (Ьо) канала;

- формулу (11) для определения пределов изменения коэффициента Ко , учитывающего фильтрацию в канал.

5. В результате расчета коэффициента К<, на ЭВМ с использованием данных полевых исследований на р. Пра (Рязанская Мещера) и рек Полесья (Белоруссия), получено, что коэффициент Ко изменяется от 0,3 до 1, при отсутствии фильтрации коэффициент К„ равен 1. Учет фильтрации в русло целесообразно рассматривать для частиц грунта со средним диаметром (0,25 < й < 2,25 мм).

6. Установлена формула для расчета коэффициента откоса при совместном влиянии фильтрационного и водного потока на откосы русла водотока. По формуле (26) были вычислены значения коэффициентов откоса и сопоставлены с натурными данными и расчетными значениями коэффициента откоса, 'вычисленных по формулам таких авторов^, как Н.Н.Маслов, А.Ф. Печкуров, В.М.Шестаков, Э.И.Михневич, М.М.Гришин. . Анализ показывает сравнительно близкие расчетные значения по формуле (26) с натурными данными коэффициентов откоса.

7. Получена формула для расчета неразмывающей скорости потока в русле при учете фильтрации в канал. Коэффициент перегрузки Пф в формуле для расчета неразмывающей скорости (22) определяет наличие фильтрации в русло водотока. Анализ экспериментального материала показал: коэффициент перегрузки Пф зависит от параметров турбулентности, которые

связаны с величиной относительного фильтрационного расхода (Оф /<Зр ) и диаметра частиц грунта ((3).

По анализу расчетов неразмывающей скорости по расчетной формуле (22) подтверждается вывод, полученный многими учеными, что фильтрация в русло влияет на структуру и характер водного потока и приводит к снижению неразмывающей (допускаемой) скорости и "допускаемой влекущей силы.

Кроме того, результаты расчетов показали, что при одинаковых условиях (расхода руслового потока, характеристик грунта) с увеличением высоты высачивания воды (повышается фильтрационное давление на откосы) увеличивается относительная ширина русла, уменьшается глубина русла, что также способствует уменьшению неразмывающей (допускаемой) скорости по глубине русла (рис.7).

9. На основе анализа результатов исследований и полученных формул расчета гидравлических параметров канала был предложен способ расчета устойчивости канала с учетом фильтрации грунтовых вод в русло через откосы. Разработана программа расчета на ЭВМ. Предложенная расчетная модель позволяет производить расчет гидравлических параметров искусственных водотоков, сложенных несвязными грунтами, при фильтрации в русло через откосы и определять на основе.сопоставления результатов наиболее рациональное сечение каналов с учетом его эксплуатационной надежности.

По данной диссертации были опубликованы работы:

1. ТААлиев, Л.Р.Ишугина. Расчет устойчивости земляных сооружений. - В сб.: Повышение надежности гидромелиоративных систем: М., Изд. Совинтервод, 1993. ¿69 - 87. ' \

2. ТААлиев, Л.Р.Ишутина. Вопросы устойчивости земляных каналов и дамб. - М:- Деп. в ВИНИТИ 10.12.93, N 3054-В93.

3. Л.Р.Ишутина. Влияние фильтрации на неразмываю щук» скорость потока в русле канала. - М: - Деп. в ВИНИТИ. 13.12.93, N 3060-В93..

Рис. 7. Поперечные профили русел каналов, сложенных в однородных по крупности несвязных грунтах ((I = 0,25 мм) и при одинаковом расходе воды, рассчитанные по предложенному методу

1 - профиль канала при отсутствии фильтрации

2 - профиль канала, при фильтрации, К=.0.87.

3 - профиль канала, при фильтрации,К= 0.7.

4 - профиль канала, при фильтрации, К= 0.58.

Таблица 1

Сравнение натурных тш и расчетных т^с значений коэффициента откоса в зоне выхода грунтового потока

пп ПП т натурные (данные Михле-вича Э.ИЛ г- Значение tripe по формулам

в данной работе Э.И.Мкх -невива А-Ф.Печку-рова М.М.Гришина В.М.Шес-такова H.H.Mac -лова, Кнорре

1 ' 2 3 4 5 6 7 8

1 5.0 6.21 6.16 6.45 3.33 5.04 3.35

г 7.0 9.66 7.15 6.44 3.33 3.90 3.35

3 3.22 4.23 3.43 4.39 2.80 4.98 2.65

4 4.70 4.46 4.23 5.90 3.28 4.98 3.31

5 3.69 4.60 3.37 4.76 3.08 4.72 3.13

6 3.0 4.15 3.88 6.01 3.33 4.97 3.32

7 3.75 4.22 4.01 6.01 3 33 4.97 3.32

S 6.67 5.79 3.98 5.23 - 3.51 5.19 3.48 .

9 5.25 4.72 3.57 5.33 ' 3.51 5.19 3.48

10 '3.52 ' 4.32' 3.57 5.33 3.51 * ' ' 5.19 ЗМ

II 2.50 4.04 h = h. 3.51 3.48

h 6.20 4.55 7.35 ^ 4.80 3.17 4.46 3.02

и 4.80 5.18 5.55 4.80 3.17 4.46 3.02

14' 3.30 3.91 3.76 4.36 3.12 4.44 3.00

15 3.30 4.18 3.40 '4.47 3.12 4.37 2.95

16 5.2 4.60 4.98 5.53 3.12 4.69 3.12

17 3.9 4.33 4.02 4.72 3.33 4.89 3.28

Огн.сред. ариф. откл.% - 19.2 -10.9 14.4 -22.6 5.4 -22.2

Огн.сред. квадр. отел. % 23.3 18.0 42.9 37.1 34.7 38.5