автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Закономерности подруслового течения при транспорте наносов

-Ч , 5 9 |

АКАДЕМИЯ НАУК ИНСЖУГ ВОДШХ ПРОГНЕМ

На правах рукописи Джумагулова Начира Тентюлпгавна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ П0ДРУСЛ0Е0Г0 ТЕЧЕНИЯ ПРИ ТРАНСПОРТЕ НАНОСОВ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

11.00.07 - гидрология суяи, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.К.Дебольский

Официальные оппоненты - доктор технических наук, доцент В.С.Боровков, какдадат физако-математических наук, старший научннй сотрудник О.Б.Шевченко

Ведущая организация - Географический факультет МГУ кафедра гидрология суши

Завдта диссертации состоится 1992 г.

в ¡О часов на заседании специализированного совета Д.003.37.01 в Институте водных проблем РАН по адресу: 107078, Москва, ул. Ново-Басманная 10, а/я 524

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН.

Автореферат разослан °2р " схл-^ЛлЛ^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералоги-ческдх' наук • II. К. Морковкина

/

"£ ОЕад ХАРШЗРКЗТКХА. РАБОТЫ

."-I

Актуальность работы. При расчете каналов, пролегающих в несвязны* грунтах, где всегда присутствует подруаловоз фгльтра-ционное течение, необходимо учитывать влияние этого течения на устойчивость каналов. Утл каналы проектируются исходя из условий их статической устойчивости, и при этом применяются различные методы расчета критичесхпх скоростей течедкя, то есть таких скоростей, прл которых не лро<:оход;и перемещение плюсов.

Ода;:!.: из малоизученных, но важных факторов, влияющих в целом г.а систему "поток - размыЕаекое русло " является фильтрация и инфильтрация в руслах.

К настоящему временя структура открытого потока изучена гораздо более подробно, чем фильтрационное течение под руслом. При исследовании такого индуцированного течения необходимо выявить его связь с характеристиками открытого потока и кх взаимовлияние. В последнее время исследователями предприняты ряд попыток учесть в расчетах устойчивость частиц грунта, слагающего русло, силы, обусловленные фильтрационными течения?.;«. Были предложены соотношения, описывающие распределения скоростей в слое индуцированного течения и выполнены оценки размеров этого, слоя. Однако полученные результаты нуждаются в экспериментальном обосновании в связи с тем, что положенные в основу теоретических выводов гипотезы сильно различаются между собой.

Учет фильтрационного потока осуществляются.обычно через коэффициент фильтрации, однако, как показали многочисленные исследования штудированный поток характеризуется скоростями течения гораздо больсиш, чем скорости фильтрации.

К настоящему времени исследования транспорта наносов при наличии индуцированного основным потоком течения в условиях существования русловых образований типа гряд, ркфелей н.т.д. отсутствуют.

В связи с этим дальнейшее развитие методов расчета деформации русла, с учетом подруслового течения при наличии русловых образований является актуальной задачей исследований.

Целью работы явилось разработка метода расчета трансформации донных орм при наличии индуцированного точения.

В задачи исследований входило:

- изучение влияния подруслового течения на устойчивость час-

тиц грунта к размыву;

- определение кинематических и динамических характеристик потока при транспорте наносов с учетом взаимовлияния руслового и индуцированного потоков;

- проведение экспериментов для обоснования предложенной методики расчета;

- разработка практических рекомендаций для решения задачи определения деформации русел каналов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. На основе существующих представлений, о формировании сопротивлений в наносонесущем потоке предложено соотношение, описывающее касательное напряженна в потоке транспортирующем наносы, учитывающее турбулентность потока, наличие в ней взвешенных наносов, сопротивление потока в начале движения наносов, а также взаимодействие руслового и индуцированного потоков.

Установлена зависимость для динамической скорости потока при наличии индуцированного течения. Впервые получено соотношение, описывающее трансформацию донного руслового рельефа с учетом подруслового течения.

Практическая ценность. Предложенная методика расчета трансформации руслового донного рельефа с учетом подруслового течения использована в инженерных расчетах деформаций размываемых русел.

Внедрение. Результаты исследований использованы ИБП РАН при разработке рекомендации по раочету транспорта наносов неустановившимся потоком.

Аптюбатая работц. Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции н Математическое моделирование в экологии " /Ленинград - 1990 /, на Всесоюзной конференции " Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии " /Новосибирск - 1990 /. На семинарах лаборатории динамики русловых потоков и ледотермики ИБП РАН / Москва - 1989 - 1991 /.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи.

Структура и объем ваботц. Диссертация изложена на юз страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы, включает 5 таблиц, 21

рисунков. Список литературы состоит из 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, дается ее общая характеристика, формируется цель исследований, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен обзор предшествующих исследований подруслового фильтрационного течения и взаимодействия руслового потока индуцированным течением.

Рассмотрены работы И.С.Барда, Г.А.Рубинштейна, С.В.Добро-клонского, Н.А.Михайловой и др., в которых получены зависимости интенсивности перемещения влекомых наносов для отдельных зерен частиц от фильтрационных свойств грунта. В работе М.В.Зеьшпга-ковой были предложены соотношения для определения коэффициента Шеэи при наличии и отсутствии фклмрацки при грядовой структуре дна. Бкло отмечено, что 'фильтрация и инфильтрация изменяют форму гряд, но транспорт гряд не рассматривался.

Проанализированы работы Г.В.Васильченко,. А. С, Кагановича, . Х.Накагавы, Т. Цудзимото, В.К.Дебольского,.Д.О.Губеладзе, В.Н. Спиридонова и др.,' в которых представлены соотношения, описывающие гидравлические характеристики подруслового течения. В работах Г.В.Васильчвнко, Х.Накагавы указывается на однонаправленное влияние основного потока на подрусловое течение. Рассмотрено хакке влияние фильтрационного течения на перенос отдельных частиц наносов, слагающего русло.

В.К.Дебольский и Д.О.Губеладзе отмечают отсутствие авто-модельности коэффициента гидравлических сопротивлений при наличии индуцпровшшого течения и неоднозначность его связи с фильтрационными свойствами грунта.

А.Г.Маглеан из экспериментальных исследований для определения изменения'профиля скорости в потоке при наличии интенсивной фильтрации отмечает уменьшение динамической скорости основного потока.

Из анализа работ видно, что до сих пор исследования проводились в основном при скоростях ниже критических, где еще сохраняется ровное устойчивое состояние дна или в начальный

момент отрыва отдельных частиц наносов. Шероховатость русла рассматривается в зависимости только от размера частиц, подстилающего русло, что является недостающим, поскольку русловое дао, как правило, бывает деформированным.

На основе проведенного обзора определены дели и задачи исследований.

Во второй глг.ео выполнены исследования гидравлических характеристик потока в проницаемом русле. Предлагается общее касательное напряжение в взвесекесущем штоке с учетом под-руслового течения определять в следующем виде:

*?евц = с'+ <г"+ Т"'+ V "" (1)

где: т'-касательное напряжение, учитывающее наличие в потоке взвешенных наносов;

(2)

(й-и„) -разница скорости движения частиц и жидкости; & -плотность наносов; f -плотность воды;

Т -касательное напряжение за счет турбулентности потока;

^-турбулентная вязкость; . -градиент изменения ос-

редненной скорости течения;

Т" -касательное налряяение, которое учитывает трение потока в начале движения наносов;

^"•»е-Кси^ С4)

Не -коэффициент сопротивления частиц перемещению их потоком; -донная критическая скорость потока;

С.""-касательное напряжение на дне, возникающее за счет проницаемости русла, учитывает взаимосвязь основного потока с подрусловым течением

Ъ-ч^.Ць.-иа (5)

иI -скорость индуцированного течения; иг -донная скорость течения.

Используя данные экспериментов, представленные в работах Г.В.йелезнякова, В.К.&больского, Д.О.Губеладзе бшш выполнены расчеты касательных напряжений по формуле .

- ? -

Результаты этих расчетов сравнивались с' величинами касательных напряжений, вычисленных по формуле

Эти сравнения показали, что величины касательных напряжений, возникающее за счет проницаемости русла примерно соответствуют величинам касательных напряжений, учитывающее наличие в штоке взвешенных наносов. Таким образом, при расчете деформации русла необходимо учитывать наличие подруслового течения. На это указывает также и то обстоятельство, что обмен между русловым и подрусловым потоками влияет на структуру основного потока,

В процессе анализа касательного напряжения руслового потока были выполнены оценки изменения уклона руслового потока при наличии в нем взвешенных наносов по формуле, предложенной Т.А.Алиевым. По данным указанных выше экспериментов, эти оценки оказались заниженным!, что указывает на недостаточность учета потерь энергии в виде отношения произведения относитеда-ной концентрации наносов на их гидравлическую крупность к средней скорости потока.

Результаты расчетов по формулам . (1) а (б) даны в таблице 1. Далее определялась динамическая скорость потока с учетом влияния индуцированного течения на основной поток. Дга этого использовалось соотношение

Поскольку, рассматривается проницаемое дно, то показатель степени в степенном законе распределения скоростей течения по глубине потока с£. как и коэффициент гидравлических сопротивлений долкны зависеть от фильтрационных свойств грунта, тогда ¿С можно определить из сооношения, предложенной в работе В.К.Дебольского и Д.О.Губеладзэ:

г

(6)

и» = X Л* и

(7)

где: Д -толщина подруслового течения

л - л-и»-е + ЛГизЧ*+- и/ Vе ■ аг '

Д =

{иг + аа)-ы

Результаты расчетов по формулам (1) и (б) . Таблица В 1.

- ■ 1 1 0 А и 5 и*

л/сек сы см/сек см/сек

1 2 3 4 5 6

Шамотный поро- 35,2 12,0 86,5 0,0026 5,70

шок:

<1 =0,021 см 43,0 16,0 79,0 0,0017 6,26

у, =2,2 г/см3 64,2 19,5 97,0 0,0022 7,95

м} =1 см/сек

Бакелит:

4=0,037 см 27,0 14,0 56,5 0,016 5,77

Р*=1,41 г/см3 37,3 16,0 68,5 0,017 ! '6,47

и; =1,2 см/сек

58,5 30,0 57,5 ! 0,0057 6,88

аа ! Г' I т"" С о£щ ! Г" г *

см/сек ; г/см.с2 г/см.с2 г/см.с2 !г/см.с2 г/см.с2 !г/см.с2

V ! 8 10 ! 11 12 ! 13

36,10 { 1,150 30,20 0,063 I ' ! 1,08 32,50 ! 32,50

31,66 \ 1Д76 36,44 0,060 ! 0,95 38,63 \ 39,18

37,78 | 1,160 61,52 0,051 ! 1,13 ■ 63,86 \ 63,12 !

25,00 ! ; о,5ю 32,40 . 0^09 ! 0,75 33,76 1 \ 33,30

29,76 } 0,580 40,75 0,08 ! 0,89 42,32 \ 41,90

22,83 | 0.590 46,12 0.07; I 0,69 47,50 ]• 47,30

и<р -скорость фильтрации, Оз -донная скорость, £ -проницаемость грунта;

-г

Т*г -И

/Ьр -аналог числа Рейнольдса, учитывающий характеристики грунта, слагающего русло;

" (п)

—-ггп—

ил* //а*

1/А -скорость индуцированного течения;

0.5 -с/_

Коэффициент гидравлического сопротивления на границе ме-ду основным и подруслоБым течением принимается равной

' аз)

параметр Кармана определяется по Г.В.£елезнякову:

* = ТГ]р-+аз

Подставляя в (7) формулы {в) , (14) имеем:

(14)

Полученное соотношение используется для расчета трансформации донного руслового рельефа при наличии подруслового течения. Динамическая скорость потока с учетом индуцированного течения оказалось, как правило, примерно в два раза меньше, чем без учета подруслового течения в проницаемых руслах.

В третьей главе изложена методика расчета транспорта наносов прл наличии индуцированного течения. Рассматриваются совместно уравнение движения основного потока и уравнение не-

разрывности

3U , ,, да . t, эи _ 4 _±. ЭТ Л 6\

dï 2х ~ЭТ~Т Их s ^Г 1 J

где: U, w '-горизонтальная и вертикальная компоненты скорости течения, $ -плотность воды, Р -давление, -касательное напряжение, х-горизонтальная проекция, г -вертикальная проекция.

В уравнении неразрывности учитывается движение воды в подповерхностном слое грунта:

.

Ид -скорость индуцированного течения, осредненная по его толщине. Глубина всего потока принимается с учетом толщины индуцированного течения в подповзрхностном слое грунта, слагающего русло. Распределение давления принимается по гидростатике. Для касательного нацрянения вводится линейное соотношение:

г = ('--г)'Го (18)

где: Т0 -касательное напряжение на дне. Вертикальная компонента скорости течения принимается пропорциональной динамической скорости потока. Гради^ит изменения осредненяой скорости определяется кз условия описания ее распределении по глубине потока степенным законом:

. . _ А 0.5 d+ 2. ' . „

и»(*+луи-? Ч'ш h ' fis)

где: Л -показатель степени, d -средний размер частицы, jr -относительное удаление горизонта от дна.

Из совместного рассмотрения (16)7 (17) с учетом (18) , (19) получено соотношение, описывающее изменение глубины потока во времени и го длине;

« - ' т~й - à- ["•("¿у

Далее из геометрических соображений вводится изменение отметок донной поверхности , то есть = i£ -изменение глуби 1ш равно изменению отметок донной поверхности. Случай

непрерывно изменяющейся донной формы заменяется структурной песчанной грядой, которая имеет устойчивую Гпорг.ту л "зшюра'глЕается" в течении дискретного интервала времени. Тогда, рассматривая гряду от подвалья предыдущей до ее гребня по направлению потока получим:

ЭЬ £ У /о-Л

- . (}

где: Я у, и Еу, -высота и длина гряды, ^ -угол низового откоса, который определяется в соответствии с рекомендациями 3.Г. Савина. В начальный момент при ± = О, А у, = Я (х) для расчета верхового откоса вводам следующие грашчные условия Л«/> = 0, А(х.)= -Д рис. 1 . Окончательно получено следующее соотношение, которое и является расчетным дан определения трансформации дошюй фор;ш во времени с учетом фильтрации;

31. ц (, /-Уд.

г <3 г, ) и Ч^т

эг

г е *

2_ +д, ! 2-й/ __ _

~?Г2Г. ж (Ко + 3.у^ , Ш/^ 3 г ^

£ . ¿> * /г-и** £ А ' -й -

1ТШГ + 0Ъ /-ЦТ -дГ *"0А(ру "

5 с/+1

Далее рассматривается частный случай, когда из соогноше*-ния, описывающего трансформацию донного руслового рельефа иск' лючается скорость индуцированного течения. Для этого случая

соотношение (22) выглядит следующим образом: 3± « • ' —**

\JL-l

-¿.й-а*. А (ии)-^-

(23)

На рис. 2 представлены' результаты расчетов, где экспериментальные данные из работ Знаменской Н.С., В.К.Дебольского, Б.Ф.Снищенко и др. сравниваются с вычисленными по предложенным соотношениям (22) и (23) . Как видно из рис.2 расчеты с использованием соотношения, учитывающего индуцированное течение хорошо согласуется с экспериментальными данными, а результаты

о >

Ч.

Sf ï ÜJ

ï *

oí

<u сг

И

ï

H <o

ö VJ О îi e

о

Q t*

4J «>

ö £

■I

M

S

О

К

2Ч)

■S

ïr

0

£

1

. a-

4J

<*

s a-ai

Qi О

аог "до« йоб о.о8 аю о/г ал а/б о./в

Рис. 2 Результаты сравнения расиетных и __с энсперишентрльных данных

—я--± = Л7 с.

-------t = Юс. 5/ф.

----ь = Юс

со I

расчетов с использованием соотношения не учитывающего подрус-лэвое течение значительно отличаются от экспериментальных данных.

Следует отметить, что эксперименты, привлеченные для тестирования проводились при наличии проницаемого грунта.

Далее предложенное» соотношение (22) сравнивалась с результата} гл расчетов по схеме, предложенной в работе Сольсбай и др. В этой работе в рассмотрение включены уравнение движения потока, уравнение неразрывности и уравнение диффузии взвеси.

Основная цель рассматриваемой работы заключается в оценке сравнительного вклада транспорта взвешенных и влекомых наносов в деформацию подвижной донной формы, чья первоначальная конфигурация соответствует типу ассиметричной гряды, описанной в работе Раудкиш А. И. В данной схеме используется упрощенная медика численного интегрирования, то естьиз уравнения неразрывности исключается во врекя подъема поверхности дна. Так-^е как и в пашей методике расчета в рассматриваемой схеме расчетов,случай непрерывно изменяющейся донной фор1»-н заменяется последовательностью ряда донных форм, каждая из которых имеет устойчивое положение в течение дискретного интервала времени. Результаты сравнения данных, вычисленных по схеме,.предложенной Сольсбай РЛ. и др., и данных, вычисленных по соотношениям (22) , (23) согласуются между собой, рис. 3 , но в схеме, предложенной Сольсбай Р.Л. и др. не содержатся параметры, учитывающие ипдуцировачное течение, которое существенно влияет па характер движения донных наносов и на формирование донного рельефа.

. В соотношении (22)учтены также параметры подруслового течения, как скорость индуцированного потока, толщина этого слоя и проницаемость грунта.

В четвертой /главе приведены описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов.

Экперименты проводились в лаборатории гидравлики ШЛИ с целью независимой проверки предложенных соотношений (22) и (23). Опыты проводились в открытом лотке с циркуляционной подачей ьоды и наносов, обп?л длина лотка 20 м., ширина 1 м. и высота бортов 60 см. В процессе экспериментов проводились изморен.ш скорости течения (микровертушка , трубка Шло), отметок дна

VJ

«о О О «j

^ 5 ^ ^

11 « II II +J +о +1

Mil

I

! I

И

I I

(эхолот), расходов воды (расходомер'), отметка водной поверхности (пьезометры). Продол-ки1ельность каздого опыта задавалось исходя из того, что в лотке должно успеть наступить динамическое равновесие, то есть твердый расход должен стать неизменным во времени. В начале опыта перед пуском воды и в конце после остановки подачи воды проводилось эхолоткрование дна.

Опыты проводились при расходах воды 0 = 56, 70, 84, 112 л/с Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. Рабочий участок длиной 2 м. разбивался на створы через каждые 5 см. В начале рабочего участка устанавливался эхолот и трубка Пито, которые размещали:. на тележке, оснащенной рельсами.

Измерение скорости и отметок дна велись одновременно. В первом случае эхолотпрование дна проводились по всем створам, то есть тележка с эхолотом перемещалась по всей длине участка вниз и вверх по течежю. Таким образом замерялись изменение отметок дна по .длине Чтобы определить изменение отметок дна во Бремени эхолот устанавливался в одном створе и ила непрерывная запись показаний эхолота во времени.

После обработки данных экспериментов по развернутой эхо-граше определялись размеры донных деформаций и скорость их перемещений. За расчетные принимались наиболее крупные, одинаковые по размеру часто повторяющиеся донные образования.

Далее экспериментальные данные сравнивались с данными, рас-читанными по соотношениям (22) и (23) . Сравнение экспериментальных и расчетных данных дают хорошее согласие мегду собой, что иллюстрируется па рис. 4 .

Поскольку эксперименты проводились при одном размере частиц наносов, слагающего дно лотка, была установлена зависимость толшины слоя индуцированного течения от средней по вертикали скорости потока, где отмечается уменьшение толщины слоя подруслового течения при увеличении средней по вертикали скорости потока, рис. 5 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы по диссертационной,работе следующие:

Ямс. 4 Результаты сравнения расчетных

, и экспериментальных данных -

- ь=<о

- £ = л? 5/<Р

- Ь = Ю с/ф

Рис.5

Зависимость толщины индуцированного алоя от средней по вертикали скорости потока.

1.. г/редло;гена методика расчета донных форм с учетом полкового точения;

2. г.олучено, что динамческая скорость потока при наличии груслового течения как правило в два раза мешше, чем при его ¡утствии;

3. распределение скоростей течения по вертикали зависит от гьтрациокных свойств грунта - изменяется показатель степени зпенного закона. Предложен метод определения этого показателя зпена;

4. показано, что касательное напрягеш1е, возникающее за

зт проницаемости'русла имеет один порядок величин с касатель-•л напряжением, возникающем при транспорто потоком взвешенных носов.

Основное содержание-работы опубликовано в следующих статьях:

1. Ддумагулова Н.Т. Касательное напряжение в потоке, транс-ртирующем наносы. Гидротехническое строительство К' 12, 1990, р. 34 - 36.

2.Д*умагулова Н.Т. Математическая модель трансформации дон-го руслового рельефа о учетом фильтрации. Гидротехническое роительство К 3 1992. В соавторстве В.К.Дебольским, Д.О.Губе-дзе.

3. Джумагулова Н.Т.' Математическая модель трансформации |нных форм при наличии индуцированного течения. Тезисы докла->в Всесоюзной конференции "Методы математического моделирования задачах охраны прир0Д1!0й среды и экологии" /Новосибирск-1990/. соавторстве В.К.Дебольским, Д.0.1^беладзе.

Подписано в печать 20.03.92. Заказ 554 Тираж 100 Формат 60x84/16

Москва. Типография РАСХН