автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Закономерности процесса формирования островных участков речных русел

Социалистической Республики Шри-Ланка

Глава 2. Обзор теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию руслового потока с островом . Л

2.1 Общая картина движения потока на различных участках русла . Л

2.2 Процесс деления руслового потока рукавов . .28 2.33акономерности движения руслового потока при слиянии рукавов и обтекании островов

2.4 Основы теории движение русловых потоков на участках с островами

2.5 Некоторые вопросы движения наносов в речных руслах . .48 2.6. Основные выводы по главе. Формулирование цели и задач исследований, выполняемых в рамках настоящей диссертации

Глава 3. Основы методики исследований взаимодействия руслового потока с островами

3.1 Определение геометрических характеристик островов, возникающих при движении речного потока по двух рукавному руслу

3.2 Описание установки для проведения экспериментальных исследований.

3.3 Оценка точности производимых измерений

3.4 Проектирование модели и планирование экспериментов

3.5 Методика проведения экспериментальных исследований

Глава 4. Обсуждение результатов экспериментальных исследований взаимодействия руслового потока и островов в условиях влияния различных факторов

4.1 Основные закономерности эволюции кинематической структуры потока на островных участках

4.2 Особенности кинематической структуры потока при пропуске различных расходов на моделях с островами различных типов

4.3 Закономерности переформирований дна на островных участках речного русла

4.4 Сравнение результатов экспериментов по переформированию дна русла с опытньпли данными других авторов

Выводы по главе 4 Заключение

Актуальность темы. Гидротехническое строительство, в частности регулирование русел, играет в народном хозяйстве ДСР Шри-Ланки весьма важную роль. Культуры риса, чая, судоходство, развитие промышленности, требуют рационального использования водных ресурсов рек ДСР Шри-Ланки.

Водные ресурсы Шри-Ланки сосредоточены в 103 реках острова и многочисленных водохранилищах и полностью зависят от количества выпадающих атмосферных осадков.

В отличие от стран Европы и Северной Америки, где опасные поллютанты поступают в озёра и реки с атмосферньп«1и осадками, в Шри-Ланке наибольшее содержание вредных поллютантов; т.е. кадмия, кобальта, свинца, цинка, нитратов и хлоридов, и их накопление в основном связано с бытовыми отходами, промышленными, городскими и сельскохозяйственными стоками. Помимо непосредственного отрицательного воздействия загрязнённой вредными полютантами воды на здоровье человека наличие в ней большого количества минеральных и органических частиц приводит к резкому снижению содержания в воде кислорода, необходимого для жизнедеятельности рыб и питающих их микроорганизмов. Большие концентрации опасных поллютантов обьино имеют место в среднем и нижнем течении реки.

Почти в каждой большой и средней реке, особенно в их средних и нижних течениях, встречается деление реки на рукава. Например в России на реке Волге таких участков не менее несколько сот; на реке Дон - свыше 20; на реке Оке между Рязанью и Горьким - не менее 17; на реке Каме ниже впадения р. Вишеры - около 20; на реке б.сев. Двине - порядка 40; на реке Оби - около 300. В Шри-Ланке на реках Махавели, Калу, Келани, Маду и.т.д. тоже во многих местах имеются участки разветвления русла.

Деление реки на рукава очень часто затрудняет их народно хозяйственное использование, так как рассосередотачивает расход реки на значительных по ширине участках речной долины, создает мелководья, а в ряде случаев вызывает более или менее длительные пересыхания то одного, то других протоков. В силу этих факторов разветвления участков реки часто бывают неудобны для судоходства, усложняют эксплуатацию водозаборов, являются причиной разрушения рекой сельскохозяйственных угодий и т.д. Изучением вопросов регулирования русел в Росси занимались многие ученые. Широко известны в частности работы Н.С.Лелявского, М.А.Великанова, С.Т.Алтунина, А.И.Лосиевского, В.В.Дегтярева и др., посвященные вопросам русловых процессов и регулированию их. Но следует отметить, что вопросам регулирования русел на раздвоенных участках в этих работах уделяется очень мало внимания.

О делениях русел на рукава имеются некоторые данные в работах

A. Я.Миловича, Н.И.Маккавеева, Р.С.Чалова, Ю.А.Ибад-Заде, И.Ф.Попова, И.В.Попова, А.Н.Ляпина, А.А.Левашова.

Изучению сложных процессов в криволинейных руслах посвящено большое число работ. Формирование разветвлённых русел рек и вопросы регулирования водотоков на реках с двумя рукавами рассмотрены в диссертациях Ван Мин Фу, Куан Нгок Аном, Ц.Х.Изэном. К более ранним относятся работы Н.Н.Жуленова, Н.М.Коновалова, А.И.Лосиевского,

B. С.Перехвальского, А.Ю.Сидорчука, Т.М.Савцовой, У.В.Сапциной. Теоретический анализ руслового процесса на изогнутом участке осуществлен Ли Хонг-Юанем. Натурные исследования движения наносов в криволинейном русле проведены Дж.Бридисем.

Решение этой проблемы должно быть комплексным и одним из её важных аспектов является исследование гидрологического режима рек с целью обеспечения контроля над динамикой движения наносов и предотвращения размыва участков берегов, имеющих сельскохозяйственное значение, а также естественно образовавшихся или искусственно возведённых островов. Прогнозирование поведения рек Шри-Ланки имеет большое значение также и для развития сельского хозяйства, промышленности и их инфраструктуры.

Решение проблемы сохранения уникального речного бассейна его экологии и сложность явления формирования разветвленных русел послужила причиной того, что исследовательских работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям русловых процессов в реках с островами чрезвычайно мало, Учитьюая, что рассматриваемый вопрос имеет большое практическое значение в различных областях речной гидротехники, требует комплексного подхода, одним из важных аспектом которого является контроль процессов размыва берегов и изучения процесса особенности переформирования дна на островных участках русел реки. В связи с этим целью настоящей работы является частичное восполнение этого пробела.

Целью работы является разработка на основании анализа данных натурных и лабораторных исследований разработать рекомендации по прогнозу геометрических параметров и характеристик течения потока на островных участках речных русел, сложенных песчаными наносами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

- на основе тщательной статистической обработки данных, характеризующих геометрию очертаний островов в плане, вьивить наиболее характерные случаи плановой конфигурации последних;

- исследовать в лабораторных условиях гидравлические условия обтекания островов, имеющих характерные очертания; экспериментально исследовать процесс и характеристики переформирования речного дна в зоне обтекаемых островов различной плановой формы;

- разработка рекомендации по учету реальной картины переформирования дна на островных участках речных русел при проектировании регуляционных и прочих сооружений.

Научная новизна. На основании выполненных экспериментальных исследований и анализа полученных результатов выявлены основные 7 особенности переформирования речного дна на островных участках речных русел. Полученные графически материалы и зависимости позволяют прогнозировать изменения русловых структур на рассматриваемых участках.

Практическая ценность результатов проведенных исследований заключается в том, что их использования в практике гидротехнического строительства на реках Шри-Ланки позволит повысить надежность эксплуатации гидротехнических сооружений, возведенных на их островных участках.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались на научных конференциях Московского государственного университета природообустройства, а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» последнего.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, насчитывающего 166 наименований, в том числе 37 иностранных. Материалы работы изложены на 115 страницах машинописного текста и имеют 3 таблицы, 54 рисунка, а также 7 фотоснимков.

Выводы 13 - 14 относятся к четвертой из поставленных нами задач исследований:

13) При гидротехническом использовании разветвленных участков рек необходимо учитывать процессы переформирования рукавов: в случаях выбора мест водозаборов, положения судового хода и причалов эти сооружения необходимо размещать на развивающихся рукавах. Если острова используются для размещения мостовых опор или для возведения сооружений большой стоимости, то надёжное решение конструкций руслорегулирующих сооружений на его островных участках необходимо принимать, опираясь на результаты модельных лабораторных исследований этих зЛастков.

162

14) При уменьшении твердого стока реки, остров начинает размываться, что отрицательно влияет на само его существование. Этот процесс может быть вызван увеличением площади водосборного бассейна данной реки" (лесопосадки, укрепление берегов и т.д.). Для комплексного решения задачи, связанной с регулированием речного русла необходимо постепенно производить эти работы с учетом наблюдающихся изменений хода переформирования на участке с островом. Если рассматриваемый участок русла этот остров относится по нашей классификации островным участкам с островом, имеющим в плане очертания типа «обратная капля» и русло сложено легкоподвижными грунтами, необходимо с учетом последнего обстоятельства весьма тщательно подойти к разработке как общей схемы размещения регуляционных сооружений, так и к выбору конструкций последних.

Заключение

Анализ и обобщение как данных других исследователей, опубликованных в научно-технической литературе, так и результатов наших экспериментальных исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы, позволяет сформулировать нижеследующие выводы:

1) Острова, а следовательно, и разветвление реки на рукава возникают как в ходе общих непрерывно происходящих переформирований речных русел, сопугствующих постоянным перемещениям рек по своим долинам, так и по местным причинам. В числе таких причин можно выделить:

- причины переформирования русла, то есть нарушения транзита донных наносов в русле вследствие увеличения размыва дна реки на участках, примыкающих к её берегам, а также и скопления наносов в среднем течении реки на участках в меньшей степени подверженных размьшу;

- причины образования островов, к котором относят - отторжение побочней и кос в процессе периодического расширения рек, вследствие прорыва меандр, расчленение участков поймы, вследствие неоднородного геологического строения дна русла, несовпадение динамической оси речного потока при разных зфовнях воды в нем, особенно в межень и в половодье, колебания уровней воды в реке, вызывающие перераспределение расходов воды в реке и наносов между рукавами и т. п.

2) Разветвления русел можно классифицировать, исходя из следующих точек зрения:

- по количеству рукавов можно выделить двухрукавные и многорукавные русла;

- по условиям входа потока в рукава, очертаниям и относительным размерам рукавов различают:

- потоки с прямым входом в рукав, и искривленным входом в боковой рукав.

- случаи, когда остров находится в вершине излучины и вход потока в основной рукав плавно осуществляется по вогнутому берегу, а в боковой рукав - искрив ленно.

- ситуации, когда вход в оба рукава осуществляется приблизительно под равными углами. Очертание обоих рукавов в этих условиях также более или менее одинаковы;

- случаи когда длина рукавов на участке разветвления русла рукава значительно отличается; условия входа в этом случае не оказывают существенного влияния на развитие рукавов;

- По значению угла приверха и ухвостья острова различают случаи, когда:

- угол приверха и угол ухвостья острова одинаковы;

- угол приверха больше, чем угол ухвостья острова;

- угол приверха меньше, чем угол >освостья острова.

3) При раздвоении кЛкдый рукав подвергается изгибу. В результате возникающей при этом центробежной силы у приверха, разделяющего острова, образуется подъем воды с его постепенным уменьшением в сторону берегов. По мере разделения русла на рукава происходит общее увеличение площады живого сечения и уменьшение скорости течения воды. Следствием этого является возникновение динамического подпора, обусловленного переходом кинетической энергии в потенциальную. К факторам, влияющим на относительную величину динамического подпора, относятся:

- относительная длина рукавов;

- соотношение глубин и коэффициентов шероховатости русел рукавов;

- характер береговой линии в истоках рукавов.

Вывод относится к первой из поставленных нами задач наших исследований:

4) Исследована геометрия островов, расположенных на реках с различными гидравлическими режимами, в различных географических и климатических зонах. Составлена таблица, содержащая геометрические характеристики 30 островов расположенных реках европейской и азиатской частях России: в

1ёО

Днепре, Волге, Доне, и Оби показывают, что для рек определенной категории между углами приверха -<ЭГ„ и углами ухвостья -ОСу существуют корреляционная зависимость. Значения коэффициента корреляции равно 0,5796. Для функции = /(а„) существует параболическая зависимость уравнение 3.11). Из графика зависимости А„иС1ГА,видно, что в диапазоне изменениями от 20° до 60° парабола = близка к линейной зависимости, (уравнение 3.13). Эти уравнения могут быть использованы для практических расчетов. Выводы 5-8 относятся ко второй из поставленных нами задач исследований:

5) Из анализа эпюр распределения скоростей видно, что, когда угол приверха острова больше, чем угол ухвостья острова, значения скоростей в рзАавах больше, чем в неразветвленном русле. В этих случаях остров как бы перемещается вверх по течению. Когда угол приверха острова меньше, чем угол ухвостья острова, значения скоростей в рукавах меньше, чем в неразветвленном русле и тогда остров как бы перемещается вниз по течению.

6) Анализ экспериментальных данных показал, что отношение суммарной ширины рукавов к ширине неразветвленного русла перед островом колеблется в пределах 1,2.1,7. Отношение суммарной ширины рукавов к ширине неразветвленного русла после острова колеблется в пределах 1,03.1,94.

7) При делении потока на рукава донные струи вместе с придонными наносами направляются преимущественно в тот рукав, в сторону которого направлен поперечный уклон.

8) Увеличение расхода в одном из рукавов сопровождается одновременно уменьшением расхода в другом вследствие стеснения одного из рукавов. В легкоподвижных грунтах, если русла разделяются на два рукава, один рукав отмирает, а другой развивается.

1. Абдураимов М. Музафаров Х.А. Пуггиев A.A. Движения вод в открытых руслах (уравнения Сен-Венана).-//Мат. моделирование.-1998.-10,№6.-с.97-106.

2. Аврух М.Г. Методы численного моделирования плановых размывов в открытых потоках.// Числ. моделир. и автом. экспер. в гидр, иссл.- М: 1989.-с. 103-111.

3. Адхикари Д .Р. Формирование максимального стока горных рек Непала. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. Спец. 05.23.16. М.:2000г.

4. Алтунин СТ. Регулирование русел при водозаборе. М.: Сельхозгиз.- 1953.

5. Алтунин CT, Бузунов И.А. Защитные сооружения на реках. М.: Сельхозгиз.-1950г.

6. Алтунин B.C. Моделирование общего и местного размывов под мостовых русел. Гидравлика дорожных сооружений. Труди 2-ой Всесоюзной научной тех. конф. - Киев: издание КГУ.-1969г.- с.28-33.

7. Андреев О.В, Пуркин В.И. Русловые процессы и мостовые переходы. М.:МАДИ. -1986.

8. Андреев О.В, Журавлёв М.М, Рассказов О.Д. Вопросы мостовой гидравлики и гидрологии. М.: транспорт.-1967.-с.200.

9. Антроповский В.И. Связь характеристик руслового процесса с критериями динамического подобия. // Динамика русловых потоков. - Труды ЛГИ. -Л.: 1987-с.93-95.

10. Антроповский В.И. Критериальне зависимости типов руслового процесса. -Дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. Спец. 05.23. М.: 1981г.

11. Антроповский В.И. О возможных деформациях перекатов нижней Катуни в условиях зарегулированного стока. // Водн. ресурсы. - 1997. - 24,№4. - с. 444-446.

12. АнзАин В.Н, Гриценко В.А, Гриценко И.В. Об особенности перетока придонного плотностного потока через подводный порог. //Динамика течений и лито динам, процессы в реках, водохр. и окраин, морях.// АН СССР. Ин-тводы. проблем. -М.: 1991 с. 166 -173.

13. Баланин В.В, Селезнёв В.М. К расчёту скоростного поля за полузапрудой.// труды ЛИИВТ. 1959. - вып. XXVL

14. Баланин В.В. Лабораторные исследования обтекания потоком перемычки. Труды Академии речного транспорта. М. Л.: Водтрансиздат. - вып. 11,1953г.

15. Барышников Н.Б. Современное состояние и перспективы развития теории русловых процессов. // Динамика русловых потоков. Л.: изд. Л.П.И. -1987.- вьш.98 - С.5 - 9. (Л.Г.М.И).

16. Барышников Н.Б, Крудряшов А.Ф. Гидравлич. сопротивления речных русел. // Гидротехнич. строительство 1999. - №6. - с.20 - 23.

17. Бутаков А.Н. Гидравлика развития мезоформ речного русла: Монография. -М.: Изд-во руда. 1999. - с.215.ил.

18. Бутов С.А, Еречнев Д.А, Леонтьев Д.Н, Мельникова О.Н. Размыв дна волнами на воде // изв. РАН. Сер. Физ. 1998. - 02, Хо12. - сю2379 - 2386.

19. Бегам Л.Г, Волченков Г.Я. Водопропускная способность мостов и труб. -М.: транспорт. 1973. - с. 190.

20. Бегам Л.Г, Липггван Л.Л, Деформация под мостовых русел. М.: Транспорт. - 1970. - с.200.

21. Ван Мин - фу. Формирование разветвленных русел рек. - Дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. Спец. 05.23.16. -М.: 1963г.

22. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: физматгиз. - 1958. - с.396.

23. Великанов М.А. Динамика Русловых потоков. Л. М.: Гидрометеоиздат. -1946г.

24. Великанов М.А. Движение наносов. М.: Гидрометеоиздат. - 1948г.

25. Великанова З.М. Грядовое движение наносов на моделях речной излучины. Труды ГГИ. - 1969. - вып. 169. - с.87 - 96.

26. Виноградова О.В, Виноградова Н.Н, Хмелёва Н.В. К вопросу о деформациях русловых форм горных и полу горных рек. // Геоморфология. -1999.-№3.-с.78-84.

27. Гринвальд Д.И. Динамика русловых потоков. М.: Гидрометеоиздат - 1978. -с.256.

28. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат - 1979. -с.312.

29. Гончаров В.Н. Движение наносов. Л.: ОНТИ. - 1938г.

30. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат - 1962. -С.374.

31. Гидролого-морфологические и гидродинамические исследования рек. Сборных под ред. Кондратьева Н.Е. и Попова И.В. Л.: - 1967г.

32. Дегтярёв В.В. Выправительные сооружения из грунта. М.: Транспорт. -1970г.

33. Дегтярёв В.В. Выправление рек. -М.: транспорт, издание 2-ое. - 1968г.

34. Еречнев Д.А, Леонтьев Д.И, Мельникова О.Н. // Изв. РАН, Физ. атм. и океана. 1998. - 34, №6. - с. 835 - 841.

35. Железняков Г.В. Пейч Ю. Л. О. Динамическом равновесии речных наносов в предельном слое. // Динамика русловых потоков. Л.: ЛГМИ. - 1987. -вып. 98. - с.28 - 36.

36. Железняков Г.В. Пейч Ю. Л. Обобщение результатов исследований речных потоков при изменении гидравлических сопротивлений в поперечном направлении. // Вод. ресурсы. 1998. - 25, №5. - с.553 - 561.

37. Жуленов Н.Н. Движение донных наносов в разделяющих потоках. -Научные записки МИИВХ, том П. 1936г.

38. Журавлев М.М. Новый метод расчёта местного размыва у опор мостов и его обоснование. // Труды СоюздорНИИ. - 1978. - вып. 109, - с. 4 - 51.

39. Знаменская Н.С. О моделирование русловых процессов на размываемых моделях. Труды ГГИ. Л.: 1966. - вып. 136.40.