Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обвалование и создание русел сложного сечения рек-водоприемников при защите поименных земель от затопления

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обвалование и создание русел сложного сечения рек-водоприемников при защите поименных земель от затопления"

министерство мелиорации и водного хозяйства ссср

бело!7сшй! научиочкслеловательсгай институт мелиорации и водного хозяйства

На правах рук с гит с и

КАРНАУХОВ Виктор Николаевич

удк 627. 514:625.060.4

обвалование и создание русел слшного сечения рргк-водопииников при защите 1юйменннх земзлъ от затопления

Спецпалыгость 06.01.03 - мелиорация и оропяогае зегддащочле

Автореферат

диссертаций на соискание учвпоЯ стопепя кандидата технических ¡мук

Минск -

КОЗ

Работа выполнена в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательской институте мелиорации и водного хозяйства (БелНИШиВХ)

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Э .И.Михневич

Официальные ошюненты: доктор технических наук, профессор В.М.Зубец

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г .в .Васильченко

Ведущая организация - Белгипроводхоз

Защита состоится " I? " уча/рта_ 1983 г. на

заседании Специализированного совета Д 099.03.01 в Белорусском научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства (220040, Минск, ул. М .Горького. 153).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БелНИИМиВХ.

Автореферат разослан " ■/<=? " .яу■/¿>а/э& 1989 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук

Н .Т .Клинков

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одной из главных задач з области мелиорации земель, согласно "Основным каправлешдм экономического и социального развития СССР на 1935-1390 года и на период до 2000 года", является погашение качества и надежности мелиоративных систем.

Значительный вклад в обеспечение Продовольственной программы вносит мелиорация заболоченных п перяодпчесхк затопляемых пой-мешшх высокопродуктивных земель, потенциально обеспечению: вод-нши ресурсами. Резервы такого освоения в Белорусской ССР составляют сотни тысяч гектаров угодий, Б связи с вовлечением этих земель в интенсивное сельскохозяйственное использование, а также необходимостью учета требований охраны природы возникает потребность защиты юс от затоплен®! паводковыми водами путем обвалования с создание;,! польдерных систем, как одного из технических, средстз обеспечен;« устойчивого земледелия с ьчшимальлш вмешательством в естественный режим реки.

Актуальность работы. Польд-зрный способ осушения обычно связан с возведением дамб обвалования и стеснением паводкового потока реки-водопрпемкика. В сегоп с разнообразием природных условий и недостаточностью натурных исследований пойменных русел остаются актуальными вопросы выбора трасс дай б обвапоганжт, а также обоснования параметров русел сложного сечения и учета их Бездействия на окру жницу ю среда. К наименее изученным из этих воздействий относятся: изменение скоростной структуры потока и уроненного режима реки при пропуске половодий я иаводаов, нарушение равновесия поименных я русловых процессов, а так~е изменение транспортирующей способности потока. Поэтому обвгалованче рек и создание искусственных русел сложного сече игл требует оозетхтан-ствования способов определения их устойчивости я пропускной способности п условиях взаимодействия руслового и пойманного потоков при широком диапазоне их першетроз я усоленного ретама.

Работа является составной чаотьп разделов задания 06.0-1 проблемы 0.52.02, выполненной БелНИШиВХ в /976-1980 гг., задания 02.06 комплексной научно-тохгег.есгай программы 0.Ц.С34 и задания ¡!шгоодхоэа СССР 0.05002.05 в раздела "Рогулггсопмше ро;г_ водоприемников", наполненных БелШШгВХ в 1901-1903 гг.

Цель и задачи исследований. Усовер-зенсттозать оутесотутач»

г

методе гидравлических расчетов пропускной способности и уроненного рекпка обвачованних русел и русел сложного сеченш:, ятзляю-щнхся водоприемниками ыелиоратиышх систем, и разработать мероприятия по обеспечению их устойчивости.

Программой исследований предусматривалось решение следующих вопросов:

- исследование на опытных участках рек-водоприемников, отрегулированных путей обвалования и создания русел сложного сечения, хаоак'Серних для них скоростной структуры потока, уроненного рейка и руслового процесса при прохогзденлл паводков;

- изучение на крупномасштабных костких и ранмкваемшс гидравлических моделях годравлико-морфоиетричесгапс характеристик обвалованных русел л устойчивости искусственных русел сложного сечения;

- совершенствование методов определения пропускной способности псй.юнных русел и расчета кривой свободно" поверхности паводкового потока, а таете определение участков наиболее интенсивна деформаций русел и пути- ::х устранения.

Неумная новизна состоит в получении теоретических зависсто-стей для определешш пропускной счособности русел сложного сечения с учетом взаимодействия руслового и поименного потоков на основания приближенных уравнений даиения водя на границе сменных потоков, определении критерия устойчивости бровок меженной части русла и разработки гвдравлшю-морфометротеской методики расчета прямолинейных обвалованных и искусственных русел сложного сечения в условиях установившегося решала двккзния води с переменно!! массой.

Практическая ценность. Разработанный метод гидравлического рзечета дает возможность определять скорости и уровни прохождения расчетных паводков как для руслового, так и для поименного фрагментов потока с учетом их взаимодействия, и, соответственно, уточнять от.леткп гребня дан б обвалования. Предлокешгай способ прогноза устойчивости бровок мекенной части искусственных русел сложного сечения в практических расчетах позволяет прав.чльно назначать параметры дефершруемых участков русел и рационально размещать крепления.

Апробация и реализация работы. Разработанный в диссертации метод гидравлического расчета пропускной способности поименных русел и устойчивости их сечепяй одобрен учешии совзтом БелШШиВХ

(протокол !i 5 от IV февраля Ï9C7 г.), кэучно-те::шпеским советом Белгппроводхоза (протокол II/3 от 34 февраля 1907 г.) и внедрен при проектирования мелиоративной польдерной системы "Полота" Полоцкого района Витебской области. Мероприятия, разработанные ь рабочей документации по регулировании реки Полоти, одобрены Госстроем БССР и согласованы с госэкспзртизой (заключение № 5173 и В 326? от 1987 г.), подтверждающей сушу энонот.яиг в размере 170 гася'-; рублей, соответствующую условиям протшзоэатратно-го экономического механизма. Результаты исследований использовались при разработке рекомендаций по расчетам гидравлических параметров потоков на 1 (утвепядены директором БелШШйХ 24 ноября 1986 г.).

Публикация результатов работы. Результаты исследований были опублшеоваьн в 7 научных работах, а также докладывались па .чаучно-техническлх конференциях НШ (г. Г'пнск) в 1980 и 1901 гг. и ЕСХА (г. Горкл) в 1992...1985 гг.., ча Всесоюзном коордшшшон-ном совещании совета по гидравлике ГКНГ (г. Каунас) в 1996 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, вводов, списка использованной литературы и приложений. Объем работы - 240 страшщ, в том числе 19 тсолиц, 40 рису! mon к приложений на 27 страницах. Списо;: использованной литературы содержит 129 наименований.

СОДЕРлАШЕ РАБОТЫ

в первой главе диссертации "Анализ существующих исследогш-ний по обваловании рек и созданию русел сложного сеченпя" отае-чается, что важпешпкм направлениям по изучению пропускной способности я устойчивости поймешшх русел посвящены труды к.в.Попова, H .С .Знаменской, Н.Е.Кондратьева, Д.Е.Скородумова, Г.Б.Не-лезнякова, Я.Б.Барышникова, В.М.Гончарова, Б.Ф.Сшпленко л др. Пойла, как объект мелиоративного освоения с применением защитите дгмб обваловаштя и созданием русел сложного сечения, более подробно рассмотрена в работах А.Ф.Печкурова, в .Ы .Зубца, в.Ф.Ше-беко, IIЛ.Шатберашвпли, Г.А.Пвнадпади, Г.В.Васильченко, В.П.Ро-гуновича, 10.А.Юыкаускаса и др. Различные проявления взапмодсйст-вия ограждающих дамб с паводковыми потеками обусловлены в основ- . пом изменением естественного ренина пропуска половодий и поводков реки-водоприемника.

Основными объектами изучэ!шя в речной гидротехнике остаются русло, как судоходная трасса, а также сток вода и наносов.

Существующие методы расчета пропускной способности и устойчивости пойменных русел, обобщенные в монографиях Г.В.Нелезняко-ва и Н.Б.Барышникова, имеют ограниченное применение при проектировании мелиоративных объектов в связи со слабой изученностью проблем!, обусловленной сложностью процессов взаимодействия руслового и пойменного потеков и недостаточностью экспериментальных данных о механизме этих процессов. Кроме того, хотя в исследованиях других авторов отмечается поперечное перемещение крупноте- • штабных структурных элементов потока на границе разделения русла и пойми, в расчетных зависимостях эта характерная особенность взаимодействия руслового и пойменного потоков не находят прямого отражения.

Во второй главе диссертации "Натурные исследования закономерностей формирования русел сложного сечения" приводятся результаты экспериментальных обследований рек-водоприемников на опытных участках, отрегулированных путем обвалования и создания русел сложного сечения.

Выделено три наиболее часто встречающихся в условиях БССР способа регулирования рек: создание русел сложного сечения, выборочное спрямление с одновременным обвалованием и обвалование с сохранением русла реки в естественном состоянии. По каждому из выделенных способов были подобраны характерные опытные участии, на которых проводились деталышз многолетние наблюдения.

Опытный участок в нижней части р. Лани (левый приток р.Припяти) с искусственным руслом сложного сечения, протяженностью 3 км, был оборудован измерительными постами сразу после строительства объекта по защите населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий от затопления паводковыми водами р. Лани и р. Припяти. На опытном участке, проходящем в мелкозернистых песках (с/50 = 0,14 ил), было запроектировано и в 1977 г. выполнено русло роки сложного поперечного сечения шириной 90 м. Оно состоит из меженного русла традацяидального сечения, рассчитанного на пропуск в бровках расхода 10,^-ной обеспеченности максимуга летне-осеннего паводка 27,4 м^/с ( Зр - 29 м, Нр = 1,5 м), и искусственней пойменной части.

Второй участок был выбран на р. Ьибрлке (лелчй приток р.При-

пяти). Регулирование реки на данном участке, начинающемся от устья и имеющем длину 18 ил, било начато в 1958 г. (исследования автором проводились с 1977 г.). В 1970 г. естественное русло реки на участке было спрямлено и обваловано с двух сторон (расстояние между дамбами 0С = 200 м). Новое русло параболического сечения (Р = 20) с донной вставкой 8 = 4 м рассчитано на пропуск в бровках максимума весеннего половодья 25#-ной обеспеченности Q¡5t= 52 м3/с. Оно проходит в берегах, сложенных торфяниками мощностью I...2,5 м, подстилаемыми мелкозернистыми и среднезер-нпстыми песками.

Исследование русловых процессов, скоростной структуры и уро-венного режима при проховденяи поводков проводилось на специальных измерительных створах по методике, общепринятой на гидрометрических постах. Полученные данные измерений обрабатывались на ЭВМ по специально составленным программам.

Анализ полученных данных показал, что опытные участки при пропуске половодий и паводков находятся в условиях неразномерного режима, вызванного колебаниями уровней в р. Припяти, а также изменением местных параметров русла и поймы. Поэтому оценка пропускной способности поперечных сечений проводилась путем разбивки их на русловой и пойменные фрагменты с использованием уравнения ДЛ.Скородумова (I), примененного к каждому фрагменту, из которого определялся коэффициент Шезл С.

v-c-/h3(t- , (i)

где V , С и h - соответственно средняя скорость, коэффициент Ше-зи и средняя глубина потока в фрагменте; J- уклон свободной поверхности между измерительными створами (погрешность измерения уклонов не превышала 5 %)•, 6t и £3- инерционные члены, соответственно учитывающие неравномерность движения потока и переток масс воды между фрагментами.

Коэффициенты шероховатости пр. подсчитанные по формуле Г.В.Еелезнякова (по найденным Св) для руслового фрагмента о выходом потока на пойлу, увеличиваются по сравнению с уровняли в бровках, что объясняется наличием дополнительных сопротивлений в русловом отсеке, вызванных взаимодействием руслового и пойменного потоков.

Этот процесс взаимодействия приводит к существенному изме-

нении структуры потока и распределению средних на вертикалях скоростей по его ширине. На р. Лани отмечается нарушение сплошности потока, т.е. деление потока на части с несколькими гидравлическими центрами. На р. Бобрике происходит заглубление максимума скорости на вертикалях, расположенных около бровок.

На границе разделения руслового и пойменного потоков наблюдаются взаимообратные поперечные течения, охватывающие всю глубину на бровке с амплитудой изменения направления во времени в пределах 30.. ,50 о.

Интенсивные необратимые переформирования сложного поперечного сечения р. Лани, наблюдавшиеся сразу после строительства, вызваны превышением в 1,6..,2 раза средних значений скоростей потока над допустимыми на размыв 'фи лраховдешш половодий и паводков. Со временем наступает стабилизация руслового процесса, и в последние годы наблюдений (1983...IS87 гг.) отклонение параметров русла от оредшх значений ( дР~ 35 м, Нр = 1,3 м) вызваны формированием и передвижением по меженной части русла побочней и ленточных гряд. При рассмотрении вертикальных деформаций за период наблюдений выяснилось, что основные необратимые деформации раачыва происходят на откосах и незакрепленных бровках меженной части русла с одновременным заилением дна и наращиванием прирусловых валов в первые три года после строительства. Установлено, что наибольшей интенсивности они достигают в период прохождения весенних половодий.

На участке р. Бобрик, где наблюдались ветви подъема и спада половодья, вызванные подпором от р. Припяти, основными деформациями являются заиления дна русла местами до I м в связи с уменьшением транспортирующей способности потока к устью. Однако за последние шесть лет наблюдений, включая 1987 г., деформации размыва и заиления на участко компенсируются, что "объясняется наступившей стабилизацией русловых процессов.

В натурных условиях был обследован ряд объектов, располокен-ншс в пойме р. Припяти и ее притоков, где защита земель от затопления и подтопления решена путем одностороннего обвалования пойми с сохранением русла реки в естественном состоянии. Это, как правило, мелиоративные системы польдерного типа. На большинстве таких объектов протяженность дамб обвалования L вдоль реки-водо-прпешшка не превышает величины, равной десяишратной ширине

стесненной дамбами поймы реки Ве , т.о. L * IODc

Дамбы обвалования вынесены за пределы пояса руслофоршро-вания шириной В п. р.. Однако минимальное расстояние их от бровок излучин принято конструктивно без учета прогноза смещения излучины в сторону дамбы и опасности оа подмыва.

При анализе данных исследований отмечается, что в различных створах р. Припяти и ее притоков доля пойменного расхода от суммарного колеблется в больших пределах 30...70 %, поэтому необходимо учитывать пэраток тсс воды о пойменной части в русловую и обратно, т.е. рассматривать режим движения вода в каждом фрагменте с переменной массой. При обжалования таких естественных рек переменность массы в пойменной и русловой части по-прэг,-нему сохраняется значительной, и при расчете отметок гребня дамб обвалования это явление следует дополнительно учитывать.

В третьей главе диссертации "Исследование на моделях гид-равлико-морфометрических характеристик потока и устойчивости русел сложного сечения" приводится методика расчета моделей и анализ результатов обработки экспериментальных данных, Полученных на крупнотасптабных гидравлических моделях русел сложного сечения.

Исследования проводились на открытой русловой площадке 50 х 150 м с максимально возможным расходом воды Q mar 3 mvc.

Были рассчитаны и построены три жестких и одна размываемая гидравлические модели. Для приближения моделей к реальным условия!,i обследованных рек-водоприемников и для возможности сопоставления полученных результатов с натурными данными в качества исходных параметров для расчетов были приняты оораднэнкые характеристики опытных участков р. Лани и р. Бобрика.

Моделирование проводилось в автомодельной области. Расчет жестких моделей проводился по общепринятым зависимостям при соблюдении тождественности критерия Оруда (Fz=idem) без искажения вертикального и горизонтального масштабов ( Ми= Мв ).

На моде.г1ях длиной 150 м с расстояниями между дамбами В/ = 6 м, 9 и, Вз= 17 м и постоянными параметрам мэжешюй части русла трапецеидальной формы были проведены три серии опытов с различными расходами и уровнями. Меженная часть шириной 2,9 м и глубиной 0,15 м была закреплена бетонным покрытием с ко-

эффициентом шероховатости в пределах 0,014...О,015 при уровне в бровках, а локальная шероховатость пойменной части русла' сложного сечения моделей воспроизводилась травяной растительностью в различные фазы ее развития, что в принятом масштабе (Мн= 10) примерно соответствовало натурным условиям о диапазоном абсолютных коэффициентов шероховатости 0,02.,.О,10.

Продольные скорости потока измерялись мпкровертушками (5 = 15 мы). Отметки уровней поверхности воды определялись по показаниям пьезометров с точностью отсчета 0,5 мм, а расход контролировался треугольным водосливом с углом 90°. Относительная погрешность при определении расхода не превышала 5 %, уклона - 10 % с доверительной вероятностью 94 %. Режим движения потока задавался с помощью валюзных затворов аналогичным натурным наблюдениям на опытных участках. Обработка полученной информации проводилась на 'ЭВМ.

Анализ пропускной способности фрагментов русла слокного сечения кестких моделей, исходя из уравнения (I), показал, что увеличение относительных коэффициентов шероховатости в русле при выходе потока на пойму и уменьшение их на пойме, начиная с некоторой относительной глубины ^ = 1,4 (параметр /¡> равен отношению средней глубины в русловом фрагменте /)„ к средней глубине русла при уровнях в бровке Ьор ), свидетельствует о наличии дополнительных сопротивлений в русловой части потока и увеличении пропускной способности пойменного фрагмента в результате турбулентного обмена мокду русловым и пойменным потоками. Этт! подтверждается наличие явления "кинематического эффекта безнапорного потока", впервые открытого Г Л.Нелезняковым. Нарушение закономерностей изменения коэффициентов шероховатости на пойме при

малых глубинах затопления поймы, т.е. при 1,4, объясняется наличием на пойменной части модели макрошероховатости (макропо-вытений-пошгаений и прирусловых валов), разной глубиной затопления травяной растительности и др. Все это сильно сказывается на пропускной способности поймы при малых глубинах потока, но нз учитывается в уравнении (I).

Влияние абсолютной шероховатости поймы на пропускную способность русловой части сечения оценивалось при сравнении серии опнтоз, где одновременно исследовалось три вида абсолютной шероховатости на ло1ые. Установлено, что пропускная способность ме-

кенной части русла слоеного сечения уменьшается с увеличением абсолютной шероховатости поймы.

Сравнение опытных данных в сериях с примерно одинаковой абсолютной шероховатостью пошы, но разгадки расстояниями между дамбами показало, что при одинаковых уровнях относительные коэффициенты шероховатости пошы и русла увеличиваются с увеличением ширины поймы.

Анализ изменения скоростной структуры в зоне взаимодействия руслового и пойменного потоков с помощью построения изотах подтверждает наличие зоны турбулентного обмена, распространяющейся в сторону поймы на ширину 8...10 глуСш на бровке. Отклонения гидравлического флюгера, помещенного в поток ка границе руслового п пойменного фрагментов, свидетельствуют о наличии в потоке поперечного попеременного течения с амплитудой изменения направления во времени порядка 10...15 с. При этом такие крупномасштабные пульсации поперечной скорости потока наблюдались, как правило, по всей глубине потока одновременно.

0 выходом потока на пойменную часть нарушается сплошность русловой части потока. Местами наблюдается изгиб азотах в придонном слое вверх и провал изотах в поверхностном слое к дну потока. Анализ причин их образования показывает, что взашодейст- . вие руслового и пойменного потоков наменяет соотношения между продольными и поперечит скоростями, что является в данном случае причиной нерушения устойчивости потока. Особенно больших значений поперечные скорости достигают на границе взаимодействия руслового и пойменного потоков, что естественно уменьшает устойчивость бровок меженной части русла.

При изготовлении размываемой модели использовался натурный грунт - мелкозернистый песок. На основании анализа сходств и различий существующих методов, а также особенностей моделирования русел сложного сечения, проходящих в мелкозернистых песках, за основу была выбрана наиболее часто встречающаяся методика с искажением геометрических масштабов. При этом в качестве дополнительного критерия, учитывающего плановые деформации русла, использовалось следующее соотношение

¡¡¡¡Мя Ч, (2)

где Мц - масштаб гидравлических сопротивлений Л .

Соотношение (2), согласно исследованиям М.В.Лятхера, в случае моделирования русел, проходящих в мелкозернистых песках при малом влиянии растительности на их формирование, применимо при следующих условиях:

- масштабы плотности частиц грунта и жидкости равны единице, т.е.

(3)

- число Фруца Fz "idem, (4)

- масштаб диаметра частиц грунта Md = I. (5)

При моделировании за базовый был принят наиболее сложный

участок р. Лаки, искусственная пойменная часть которого сразу поело строительства на была закреплена, поэтому пойменная часть модели была изготовлена из натурального песка.

Для сознания на модели критического уклона Зкр. овобоцной поверхности, при котором начинается размыв одной из бровок меженной чаоти русла, производилась корректировка уклонов в соответствии с ранимом, наблюдаемым в естественных условиях при пропуске половодий и паводков,

В процессе опытов путем инструментальной съемки проводилось детальное измерение поперечников в промерных створах. При оценке вертикальных дефоршций было принято условие (6), при котором нарушение плановой устойчивости поперечного профиля меженной части русла но наблюдалось, т.е. считалось, что в нем отсутствуют необратимые деформации размыва бровок:

А$р * ¿Son. i (6)

где Asp ~ максимальная величина вертикальных деформаций размыва на бровке меженной части русла, - величина допустимой вертикальной деформации (определялась по Ц.Е.Мирцхулава).

При сравнении эпюр вертикальных деформаций натурных створов и аналогичных им створов на размываемой модели установлено, что качественная картина деформаций русла совпадает.

Пр1 сопоставлении значений средних скороотей на бровке и состояния поперечного сечения с точки зрения динамической устойчивости выяснилось, что условие (6) для откосов и бровок меженной части русла не нарушается при соблюдении условия (7), т.е.

VSp < V ■■

где V - средняя продольная скорость на вертикали, проходящей через бровку пененной части русла, %.гоп. - допуокаемая неразмы-вающая скорость по Ц.ЕЛЛирцхулава, при нэторой начинается отрыв отдельных зерен грунта.

Таким образом, одним из критериев плановой устойчивости меженной части русла при высоких уровнях является статическая устойчивость бровок. Аналогичная взаимосвязь наблюдалась и при прохождении паводков в отрегу-шрованном русле- р. Лани.

0.2 0.4 0.5 0.8 3,'/..

При рассмотрении изменения критического уклона Ля.(при котором Низ**. ) от относительной глубины (рис. I) уста-

новлено, что как для модели, так и дая натуры (натурные данные пересчитаны на модельные), при выходе потока на пойму значение резко увеличивается в связи с уменьшением , вызванного взаимодействием руслового и пойменного потоков. С дальнейшим увеличением уровней средняя продольная скорость на бровке увеличивается и при превышении ее ин.дьп. начинается отрыв отдельных частиц. При наличии интенсивных поперечных пульсаций в зо-

Рис. I. График зависимости критического уклона от относительной глубины 7/ф= /(у) . I и 2 - точки соответственно для модели а

р. Лань, для которых соблюдается условие (7); 3 - не соблюдается.

не взаимодействия потоков они сносятся в меженную часть русла и заиляют ее или на пойменную часть и откладываются в форме прирусловых валов. При относительных глубинах в пределах tf - 1,5... 1,8 значение ¿^.достигает величины, равной значению критического уклона при уровнях в бровках. Таким образом, при превышении уровня затопления поймы некоторого значения /?Пд. параметры русла слоеного сечения следует рассчитывать на другой руслоформиру-ющий расход, при котором должно соблюдаться условие (7) на каждой бровке.

В четвертой главе "Методика расчета пропускной способности и устойчивости русел сложного сечения" приводятся результаты совершенствования метода гидравлического расчета пойменных русел и его теоретическое и окономяческое обоснование.

lia основании анализа спектра колебаний продольной скорости выделена макротурбулентность, которая объединяет турбулентные возмущения в диапазоне частот с пространственными размерами 10Н<А*10Б(Н, В - глубина и ширина потока).

В ввделенной ооне взашодействия макроструктур руслового и пойменного потоков à (рио. 2) происходит обмен массами воды, объединенными в структурные элементы потока о линейными размерами, соизмеримыми с глубиной потока в зоне. Так как продольные средние скорооти таких элементов потока различны ( Wp > У1ТП ), то возникает мшенг сил, который приводит к их закручиванию в горизонтальной плоскости о образованием вихрей с вертикальной осью вращения. Одновременно происходит распад образовавшихся вихревых структур и уокяение микротурбулентнооти на границе руслового и пойменного потоков, а следовательно, и касательных напряжений (напряжений Рейнольдса).

В связи с этим в качестве исходного положения о природе турбулентного переноса в зоне взаимодействия потоков была принята гипотеза, что градиентному типу принадлежит лишь часть турбулентного обмена, которая связана с мелкомасштабными пульсациями скорооти. Другая его часть имеет конвективный характер и обусловлена взаимодействием крупномасштабных вихревых структур руслового и пойменного потоков.

В порядке первого приближения была рассмотрена наиболее простая динамическая схема, где к выделенному объему потока длиной $ бшш применены законы сохранения массы и импульса от-

1-1

2-2

—¡~~г выброс^1 ' >.....ч-^——

ГГГТ.. -.^77777777///'

:— -=яг"—- —-а.— -и.---

Лл Лп -1

¿»Лр

со

Рис. 2. Схема массообмена ыенду крупнси,шсштабнши вихревши структурами руслового и пойменного фрагментов.

дельно для руслового и пойменного отсеков. При этом предполагалось, что изменение количества движения будет происходить только в зоне взаимодействия шириной 4 .

Для прямолинейного и равномерного реши а движения жидкости оо средними скоростями в русле и на поГие (пойла симметричная) соответственно 2Т0>1/пъ работе получены и решены следующие теоретические зависимости:

Ц,- НрСоцт/^% , (8)

- Нп Свп/ЯЛ , О)

где Сд- коэффициент Шези, рассчитываемый без учета взаимодействия руслового "р " и пойменного "п " потоков, Я - гидравлический радиус, 3 - уклон свободной поверхности, Ир и Кп - коэффициенты, учитывающие "явление кинематического эффекта" и определяемые по следующим формулам:

^ = /¡Т7ЖЖ<7 , (Ю)

нр ' * *р р

-I -

н„ " г 2 Т •

где а, - ускорение свободного падения; /)*, - глубина потока на

бровке; х - смоченный периметр; - ■ у ; МУп = ■ ;

й - комплексный параметр, равный: р

, /»-«Д^М1*!» (12)

где Йд = у - коэффициент, учитывающий поперечный массообмен * " между крупномасштабными элементами потока; Цг; - условная средняя скорость поперечного перемещения масс жидкости на границе отсеков, рассчитываемая в предположении, что поперечное перемещение массы воды происходит по всему продольному сечению потока, проходящему по плоскости раздела русловой и пойменной частей, т.б.

с^ - удельный расход поперечного перемещения масс жидкости, объединенных в мезоструктуры;

ФУр-УЦ! ~ коэффициент, учитывающий посредство?.! коэффи-^ 77Р- ип циентов V и V соотношения средних скоростей

в смежных потоках и непосредственно средних скоростей в частях зоны взаимодействия, относящихся к русловому Ар и пойменному Дп фрашентш;

некоторая "постоянная", учитывающая "прандлевский путь смешения" £= в задачах свободной турбулентности в поперечном направлении у .

Для русла сложного сечения, имеющего п число фрагаентов, процесс взаимодействия их потоков описывается следующей системой уршнений:_

ч/ь а ((Й^ = спт.

Уп/ь ^ {^¡Мйл-&я " Ссл (И)

Для обработки данных натурных и экспериментальных исследований в условиях неравномерного ре;;;пма движешш на ЭВМ использовался комплекс программ, в котором поперечное сечение пойменного русла разделялось на русловой и пойменный фрагменты. Уравнения движения воды в них приняты в следующем виде:

= о , о ♦ О (15)

д-% Чв Нп. + Ч V I

где (У1 и с1г - коррективы скорости; и удельные рас-

ходы на единицу длины присоединяющихся (отделяющихся) масс воды соответственно на левой, правой границе фрагмента и фильтрацию, боковую приточность и др.; % и % - проекции средних скороо-тей этих расходов на направление движения основного потока X .

Данная система уравнений, полученная на основании преобразования классических уравнений неразрывности и движения жидкости с переменной массой, приведенного к виду уравнения Д.Еернул-лп, рекомендуется для практических расчетоз при условии следующих основных допущений:

- движение жидкости установившееся п плавно изменяющееся;

- величины поправочных коэффициентов о^ и о12 изменяются

здоль потока в пределах точности их расчетов;

- присоединение (отделение) элементарных расходов происходит равномерно по длине потока.

Таким образом, учет эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков осуществляется через коэффициент Шези С в основном члене уравнения (14) и инерционных членах.

£< т& (ífl . Ьи-

Инерционные члены 6Х и £г в сумме достигают 50 % от уклона свободной поверхности, что требует специального учета.

Используя формулу по определению коэффициента Нр (10) и решая ее совместно с системой уравнений (14)...(15), составленной для руслового фрагмента, найдены значения комплексного параметра й для натурных и модельных исследований. При этом, как показали расчеты, наименьший предел изменения й получен при dL , равном коэффициенту Кориолиса, а с1г - коэффициенту Буссинеска.

•Значения величины Я , найденные в каждой серии опытов на аесгких и размываемых моделях, а также по исследованиям на опытных участках, изменяются в пределах 0,022...0,081 и не имеют тесной корреляционной связи Ни с одним гвдравлико-морфомегриче-ским параметрам потока. Среднее его значение, равное = 0,053, со среднеквадратическим отклонением 24,3 $ рекомендуется для практических расчетов в следующих пределах:

Вр/Нр = Ю...25, (16)

М.

0,04. (17)

Относительная погрешность в определении величины коэффициента Шези С с учетом поправочных коэффициентов по формулам (10) ...(II) при Й в 0,053 не превышает, Ио экспериментальным данным, соответственно для русла и Поймы 5.% и 10 % с доверительной вероятностью 96 ■

Вывод о постоянстве параметра й в пределах экспериментальных и натурных исследований получается и при рассмотрении критериев моделирования, принятых при расчете моделей.

При обработке экспериментальных натурных и модельных исследований установлено, что для определения средней скорости на

бровке &5р при односторонней или симметричной пойме в пределах ограничений (16). ..(17) можно использовать следующее соотношение:

Щ--

УР* У* 2 И$р

(18)

где И¡Р. - опытный коэффициент (рис, 3), учитыващий параметр у и параметр , равный отношению ширины пойменного фрагмента Вп к ширине руслового 8Р .

.Рис. 3. Номограмма для определения коэффициента 1<1р.

Среднеквадратическая ошибка в определении по формуле (18) в пределах опытных данных составляет 8 %, что приводит к относительной погрешности в определении перепада отметок кривой свободной поверхности потока при применении системы уравнений (14)...(15) 5 % о доверительной вероятностью 98 %.

Как было рассмотрено выше, регулирование рек-водоприемников с применением дамб обвалования и созданием русел сложного сечения предусматривает такие инженерные мероприятия в поймах рек, которые объединяются тем, что при анализе их воздействия на гидравлический режим и русловой процесс требуется деление

паводкового потока на русловую и пойменную части. Учитывая необходимость классификации этих мероприятий по их влиянию на естественное развитие руслового процесса, предложено русла регулируемых рек разделить на три группы:

Группа "А", в которой дамбы располагаются за пределами зоны меаадркрования, объединяет обвалованные реки с меавдрирующи-ми типами руслового процесса.

Группа "Б" объединяет обвалованные прямолинейные или слабоизвилистые ( ЙЦ ^ 1,1) русла естественных, а также отрегулиро-ваннгтс путем выборочн -•о спрямления рек-водоприемников.

Группа "В" включает реки-водоприемники, при регулировании которых производились инженерные мероприятия по созданию искусственной пойменной части. К этой группе можно отнести реки, отрегулированные путем создания русла сложного сечения, по аналогии сюда можно отнести новые водопроводящие системы переброски стока, капитальные судоходные прорези, затопленные пойменные карьеры аллювия, лесосплавные сооружения и др.

Кавдой группе соответствует определенный режим пропуска половодий и паводков, а также режим руслового процесса.

В группе "А" гидравлический расчет рекомендуется проводить при делении потока на фрашенты, состоящие из поденных: частей, прилагающих к дамбам и расположенных за пределами зоны меавдри-рования, и основного фрагмента, включающего русло реки и пойму в пределах пояса руслоформирования. Предварительное расстояние между дамбами с учетом развития излучин для рек с шириной русла ВР ^ 100 м рекомендуется определять по следующей эмпирической формуле (19), полученной на основании обобщения исследований МЛ.Кондратьева и Б.Ф.Снищенко:

ве«М+0.08Т), (19)

где Г - число лет срока Прогнозирования.

Для группы "Б" участки спрямления рекомендуется рассчитывать по региональны.) морфометрическим зависимостям при пропуске расчетного руслоформирующего расхода в бровках.

Для группы "В" расчет параметров русла рекомендуется проводить по двум расчетным русл сформирующим расходам:

- меженную часть русла на расчетный расход в бровках по региональным морфометрическим зависимостям;

- параметры искусственной поименной части на максимальный расход с соблюдением условия статической устойчивости бровок(7).

Экономическое обоснование предлагаемой методики расчетов поденных русел проведено на примере обвалования р. Полоты Полоцкого района Витебской области на регулируемом участке, где эта методика была внедрена и получен экономический эффект 170 тысяч рублей за счет уточнения гидравлического расчета п усовершенствования проектных мероприятий, разработанных на основании существующих методов расчета.

ОБЩИЕ ВЫВОДИ И ШВДОКЕНИЯ

1. Разделение русел слоеного сечения по трем группам "А", "Б" и "В" в соответствии о интенсивностью их переформирования, т.е. с типами русловых процессов, согласно разработанной Государственным гидрологическим институтом системе учета руслового процесса, учитывает гидравл1с:о-морфометрическле особенлости таких русел и тип взаимодействия руслового и пойменного потоков

в них и монет служить основой для назначения расчетных схем и методики расчета при проектировании.

2. Обследования опытных участков рек-водоприемников с руслами сложного сечения с погрешностью измерения характеристик потока 5...10 % показали, что при пропуске расчетных максимальных расходов такие руола работают, как правило, в условиях неравномерного решала движения воды, что обусловливает переток

ее с русловой части в пойменную и обратно, и,как следствие, изменение пропускной способности русла, требующего специального обоснования.

3. Исследования показывают, что при выходе потока на пойменную часть русла сложного сечения в зоне взаимодействия смежных потоков наблюдаются крупномасштабные поперечные пульсации

с образованием структурных элементов потока с вертикальной осью вращения, соизмеримых с глубиной потока на бровке. Такие структурные образования являются следствием вращения в горизонтальной плоскости сместившейся в поперечном направлении массы жидкости в связи со значительным отличием продольных скоростей потока в данном фрагменте и сместившейся массы жидкости о соседнего фрагмента.

4. С увеличением глубины затопления поймы в пределах опыт-

них данных с у - 1,4...2,4 относительный коэффициент шероховатости руслового фрагмента русла сложного сечения увеличивается, а пойменного - уменьшается, что свидетельствует о наличии дополнительных сопротивлений в русловой части сечения и ускоряющего действия руслового потока на пойменный, т.е. подтверждается наличие явления "кинематического эффекта безнапорного потока".

5. С увеличением абсолютной шероховатоещ пойменной части сечения уменьшается пропускная способность русловой части, при атом изменяется скоростная структура потока в зоне взаимодействия делового и пойменного фрагментов. Одновременно изменяется связь средней на вертикали скорости по ширине зоны (от кривой

с выпуклостью вверх на кривую с выпуклостью вниз).

6. При увеличении ширины пойменной части сечения (в пределах опытных данных с Р 4 Б) увеличивается относительный коэффициент шероховатости как пойменной части сечения, так и русловой. Вызвано это тем, что о увеличением ширины пойменной части увеличивается ее площадь и, следовательно, уменьшается относительная величина ускоряющего воздействия руслового потока на пойменный, одновременно увеличивается коооструйность и интенсивность маосообмена в зоне взаимодействия,.что создает дополнительные препятствия в русловой части потока.

7. Механизм взаимодействия потоков русла и поймы может быть представлен, как процесс поперечного переноса количества движения в структурных элементах потока двух масштабов:

- мелкомасштабных пульсаций скорости (микротурбулентность);

'- крупномасштабных пульсаций вихревых структур, соизмеримых с размерами поперечного сечения (макротурбулентность).

8. Методика расчета пропускной способности русел сложного сечения при пропуске расходов половодий и паводков предусматривает деление потока на фрагменты с учетом их взаимодействия путем использования расчетных зависимостей (10)...(II), основанных на системе равенств (13).

9. Кривые свободной поверхности воды в пойменных руслах рассчитываются с использованием зависимостей, основанных на уравнениях неравномерного установившегося режима движения жидкости с переменной массой (14) и неразрывности (15) при делении потока на фрагменты.

10. Основные деформации русла сложного сечения наблюдаются

в весенний период, т.е. при пропуске максимальных расходов весеннего половодья, и направлены в сторону размыва бровок неженной части поперечного сечения с одновременным заилением его дна и наращявлния, в некоторых случаях, прирусловых валов. В случае неравномерного режима определяющими факторами переформирования русла является продолжительность поднора, а также количество наносов, поступающих в зону подпора.

11. Основные деформации русел сложного сечения происходят в течение первых трех-пяти лет после строительства. Вызвано это тем, что при гидравлическом расчете таких русел коэффициенты шероховатости принимались из условия наименьшей пропускной способности на период эксплуатации после строительства, когда поверхность искусственной пойменной чисти зарастет травой

и редким кустарником. Такой подход не учитывает скоростной режим потока сразу после строительства и, естественно, приводит к последующим значительным деформациям бровок меженной части русла в связи с наличием в действительности недопустимых средних скоростей.

12. Устойчивость поперечного сечения меженной части русла сложного сечения увеличивается на первой стадии затопления поймы, вследствие взаимодействия руслового и пойменного потоков, обусловливающего уменьшение средних продольных скоростей на вертикалях, расположенных вблизи бровок, и, соответственно, создание условий, при которых откос находится в состоянии более устойчивом, чем при уровнях веды в бровках. Однако с дальнейшим повышением уровней увеличивается средняя скорость на бровке и при превышении ее допустимого значения для данных грунтов начинается отрыв частиц, которые при наличии вторичных течений и поперечных пульсаций сносятся потоком в меженную часть сечения, отлагаясь на дне, или на пойменную часть сечения, формируя прирусловые валы.

13. Устойчивость поперечного сечения меженной части русла сложного сечения нарушается при нарушении статической устойчивости бровок, которые являются наименее устойчивой частью русла, поэтому при превышении предельного значения уровня затопления поймы /¡>>, г; лр .-с 1,5... 1,8 меженную часть русла необходимо рассчитывать на максимальный расчетный расход;

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Формирование отрегулированного русла р. Лани па участке со сложным поперечным сечением // Конструкции и расчеты ссу-шительно-увлажнительннх систем. — !,1н.:' БелШШиВХ, 1980. —

С. 115-125.

2. О взаимодействии руслового и пойменного потеков в одам-бированных руслах // Новые конструкции мелиоративных систем и сооружений на них. — ¡,Ш.: БелНШШВХ, 1982. — С. 187-196

(в соавторстве).

3. О коэффициенте кинетической энергии потока в одачбиро-вашшх руслах рек // Мелиорация переувлажненных земель. — !,1н.: Ураджай, 1984. — Вып. 32. — С. 100-103 (в соавторстве).

4. Плановое расположение инженерных сооружений прп обваловании рек с учетом типизации руслового процесса // Вопросы проектирования и эксплуатации мелиоративных систем. — Мн.: БелШШгВХ, 1984. - С. 111-119.

5. Теоретическое обоснование методики определения пропускной способности русла сложного сечения // Конструкции и методы расчета мелиоративных систем. — Мн.: БелНИШиВХ, 1985. —

С. 109-117.

6. Рекомендации по расчетам гидравлических параметров потоков на ЭШ. — Мч.: БелШШйВХ, 1986. —.28 с. (в соавторстве).

7. Пропускная способность обвалованных участков рек-водоприемников и русел сложной формы // Проектирование и строительство каналов и гидротехнических сооружений на слабых и струк-турно-нзустойчивых грунтах. — М.: Союзводпроект, 1987. —

С. 41-48.