Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор защитных, берегоукрепительных и противоэрозионных конструкций и материалов 11
1.1. Последствия воздействия водной эрозии на различные сооружения 11
1.2. Краткий обзор существующих противоэрозионных креплений 18
1.3. Обзор конструкции объёмной полимерной георешётки
1.3.1. Области применения объёмной полимерной георешётки 26
1.3.2. Основные свойства объёмной полимерной георешётки и используемые при создании противоэрозионного крепления материалы 32
1.3.3. Краткий обзор проведённых исследований объёмных полимерных георешёток 34
1.3.4. Объёмная полимерная георешётка как противоэрозионное крепление водоотводящих откосов 40
1.4. Выводы к главе 44
ГЛАВА 2. Изучение теоретических исследований гидравлических условий работы водотоков с повышенной шероховатостью 46
2.1. Обзор методов и особенностей оценки противоэрозионной стойкости несвязного крупнозернистого материала 46
2.2. Обзор способов и особенностей оценки параметров гидравлического сопротивления водотоков с повышенной шероховатостью 59
2.3. Особенности расчёта аэрированных бурных потоков на водотоках со значительными уклонами 71
2.4. Выводы к главе 80
ГЛАВА 3. Методика гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем 82
3.1. Описание экспериментальной гидравлической установки 82
3.2. Описание измерительного и вспомогательного оборудования 85
3.3. Оценка точности инструментальных замеров 91
3.4. Описание использованных в лабораторных исследованиях материалов 94
3.5. Обоснование исследованного заложения водоотводящих откосов 98
3.6. Визуальные наблюдения за потоком на укреплённом объёмной полимерной георешёткой водоотводящем откосе 99
3.7. Схема устойчивости элементов каменного материала при применении объёмных полимерных георешёток 109
3.8. Методика оценки противоэрозионной стойкости каменного крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток 118
3.9. Методика определения коэффициента шероховатости каменного крепления водоотводящих откосов с использованием объёмных полимерных георешёток 123
3.10. Методика оценки коэффициента гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия с применением объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем 133
3.11. Методика оценки коэффициента шероховатости в условиях бурного аэрированного потока на укреплённом георешёткой откосе 136
ГЛАВА 4. Результаты гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток. выводы и рекомендации 144
4.1. Результаты исследований противоэрозионной стойкости каменного
крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток. Проведение сравнительного анализа 144
4.1.1. Оценка предельно допустимых неразмывающих скоростей потока 144
4.1.2. Определение коэффициента устойчивости каменного крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток 155
4.1.3. Сопоставительный анализ экспериментальных данных гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток со сплошной лентой и каменным крупнозернистым заполнителем 159
4.2. Результаты исследований коэффициентов шероховатости противоэрозионного покрытия водоотводящих откосов в виде объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем 162
4.2.1. Результаты оценки коэффициента шероховатости покрытия при применении сплошной ленты объёмной полимерной георешётки 162
4.2.2. Оценка коэффициента шероховатости для каменного заполнителя объёмной полимерной георешётки в рамках исследованного диапазона крупности в условиях равномерности потока 179
4.2.3. Оценка влияния перфорации объёмной полимерной георешётки на значение коэффициента шероховатости 182
4.3. Результаты анализа зависимости коэффициента гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия с применением объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем от относительной шероховатости водотока 186
4.4. Результаты гидравлических исследований водоотводящих откосов, укреплённых объёмной полимерной георешёткой с каменным крупнозернистым заполнителем, в условиях бурного аэрированного потока 189
4.5. Выводы к главе 208
Заключение 212
Список литературы 215
- Обзор конструкции объёмной полимерной георешётки
- Обзор способов и особенностей оценки параметров гидравлического сопротивления водотоков с повышенной шероховатостью
- Визуальные наблюдения за потоком на укреплённом объёмной полимерной георешёткой водоотводящем откосе
- Оценка предельно допустимых неразмывающих скоростей потока
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных проблем проектирования и эксплуатации гидротехнических сооружений является правильный подбор требуемых противоэрозионных конструкций и материалов. Негативное воздействие водной эрозии приводит к последствиям, сопряжённым с увеличением материальных и трудовых затрат, необходимых для восстановления повреждённых объектов.
Разработка комплексных мероприятий, направленных на защиту сооружений от водной эрозии, требует знаний закономерностей в механизмах эрозионных процессов. Естественно, что вопросы борьбы с эрозией почв не могут решаться без глубоких научных исследований. Поэтому проблема проектирования и строительства защитных креплений во все времена привлекала внимание учёных и инженеров. Известными исследователями в этой области считаются: М.А. Великанов, В.Н. Гончаров, И.И. Леви, Г.И. Шамов, В.С. Кнороз, С.В. Избаш, Ц.Е. Мирцхулава, Д.И. Кумин, А.М. Ла-тышенков, М.М. Овчинников, И.С. Румянцев, В.С. Боровков, Б.А. Пышкин, П.К. Бо-жич, П.А. Шанкин, М.И. Лупинский и др.
Несмотря на многолетний практический опыт строительства и эксплуатации противоэрозионных креплений, а также многочисленные исследования в данной области, нередки случаи неудачных технических решений, которые впоследствии приводили к разрушениям и авариям. Это свидетельствует о целесообразности и необходимости дальнейшего усовершенствования методов проектирования и способов производства работ, а также рекомендаций по эксплуатации средств защиты естественных или искусственно созданных водных объектов.
В последние годы при решении вопросов надёжности и долговечности объектов гидротехнического, дорожного и гидромелиоративного строительства большое внимание во всём мире уделяется разработкам альтернативных методов защиты, упрощающих производство работ и снижающих общую стоимость противоэрозионного крепления без потери при этом его эффективности. Подобные крепления разрабатываются на основе комплексного подхода к решению экологических проблем и представляют собой совокупность технологий как защиты, так и благоустройства территорий. Появляются новые, прогрессивные, более экономичные и экологически безопасные материалы, отличающиеся простотой в изготовлении и эффективной работой. Одним из таких материалов в настоящее время является объёмная полимерная георешётка. Благодаря своей универсальности данный тип противоэрозионного крепления применяется во многих сферах строительства. Она предохраняет откосы дорог, каналов, водных объектов и других сооружений от воздействия водной эрозии и обеспечивает их прочность и устойчивость.
Несмотря на имеющийся опыт использования объёмных полимерных георешёток в качестве защитного крепления, данный материал остаётся практически не изученным. Поэтому при применении георешёток в весьма ответственной гидротехнической области строительства требуется проведение комплексных исследований с целью гидравлического обоснования данного противоэрозионного покрытия.
Степень её разработанности. В данной диссертационной работе представлены результаты ранее проведённых исследований объёмных полимерных георешёток, в том числе гидравлических, заключающих в себе оценку противоэрозионной устойчи-
вости каменного заполнителя георешёток, анализ последствий волнового воздействия на защитное крепление, а также определение характеристик гидравлического сопротивления материала.
Выявленные в ходе проведения мето дико-теоретического обзора кинематические и геометрические особенности потоков на водотоках со значительными уклонами, в частности, водоотводящих откосах грунтовых объектов, указывают на необходимость выполнения комплексных лабораторных исследований рассматриваемого противо-эрозионного покрытия с целью гидравлического обоснования его применения для сооружений данной группы.
Цели и задачи. Целью исследований стало гидравлическое обоснование применения конструкции объёмной полимерной георешётки с каменным крупнозернистым заполнителем в качестве противоэрозионного покрытия водоотводящих неподтоп-ленных откосов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- обобщить информацию, связанную с проектированием противоэрозионных
покрытий, в частности каменной наброски; выполнить анализ проведённых ранее ис
следований и имеющегося опыта в применении объёмных полимерных георешёток в
качестве противоэрозионного покрытия различных объектов;
на основе визуальных наблюдений выявить принципиальные особенности работы объёмной полимерной георешётки как противоэрозионного покрытия, описав гидравлические режимы потока на укреплённом георешёткой водоотводящем откосе;
дать рекомендации по назначению предельно допустимых неразмывающих скоростей потока $доп в зависимости от крупности применяемого каменного заполнителя объёмных полимерных георешёток;
определить параметры гидравлического сопротивления противоэрозионного покрытия: дать рекомендации по назначению коэффициента шероховатости п для исследуемого материала, проанализировать зависимость коэффициента гидравлического сопротивления покрытия от относительной шероховатости водотока;
выполнить оценку характеристик бурного аэрированного потока на водоотводящем откосе, укреплённом объёмной полимерной георешёткой; оценить степень влияния аэрации на геометрические и кинематические характеристики потока; дать рекомендации по назначению коэффициента шероховатости п с учётом аэрации.
Научная новизна работы. В результате проведения лабораторных гидравлических исследований объёмных полимерных георешёток с каменным крупнозернистым заполнителем в качестве противоэрозионного покрытия водоотводящих откосов было получено следующее:
на основе визуальных наблюдений выявлены и описаны гидравлические режимы (стадии) потока на укрепленном георешёткой водоотводящем откосе;
предложена скорректированная схема устойчивости элементов каменного заполнителя с учётом особенностей работы конструкции георешётки;
даны рекомендации касательно выбора предельно допустимых неразмывающих скоростей потока $доп на водоотводящих откосах в зависимости от крупности каменного заполнителя георешёток;
- получены значения коэффициентов шероховатости n противоэрозионного покрытия в случае использования как сплошной, так и перфорированной лент георешётки;
предложена эмпирическая формула для определения значений коэффициента гидравлического сопротивления исследованного противоэрозионного покрытия в зависимости от относительной шероховатости водотока;
даны рекомендации по выбору положения плоскости отсчёта глубин в случае неглубоких потоков при использовании каменного заполнителя в рамках исследованного диапазона крупности;
выполнена оценка параметров бурного аэрированного потока на водоотводя-щем откосе, рекомендовано значение коэффициента шероховатости n с учётом влияния аэрации и при частичном размыве заполнителя георешётки.
Теоретическая и практическая значимость работы. В работе представлены рекомендации, объединяющие в себе результаты проведённых автором лабораторных гидравлических исследований. Данные рекомендации могут быть учтены при проектировании водоотводящих откосов гидротехнических сооружений, а также быстротоков со значительными уклонами, укреплённых объёмными полимерными георешётками. Полученные автором новые экспериментальные данные дополняют методико-теоретическую базу по проектированию противоэрозионного крепления в виде объёмной полимерной георешётки как для водоотводящих откосов, так и для других гидротехнических сооружений.
Методология и методы исследований. Теоретические расчёты и лабораторные экспериментальные исследования.
Положения, выносимые на защиту:
результаты проведённого обзора противоэрозионных материалов, в том числе современных, результаты анализа методико-теоретической базы исследований каменных противоэрозионных покрытий;
экспериментальные графики по оценке противоэрозионной стойкости применённого каменного заполнителя в зависимости от средних скоростей потока, результаты сравнения с экспериментальными данными ранее проведённых гидравлических исследований;
результаты исследований по оценке значений коэффициентов шероховатости n противоэрозионного крепления, а также итоги сравнения с экспериментальными данными ранее проведённых гидравлических исследований;
экспериментально полученная зависимость для оценки значений коэффициентов гидравлического сопротивления укреплённых георешётками водотоков в зависимости от относительной шероховатости противоэрозионного покрытия;
результаты проведённых расчётов аэрированного бурного потока с использованием рекомендаций ряда авторов в данной области, результаты оценки значения приведённого коэффициента шероховатости n, учитывающего аэрацию.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований обусловлена:
большим объемом материала, проанализированного автором диссертации;
применением в процессе исследований современных методик и рекомендаций авторов, широко известных в данной области;
использованием точного лабораторного оборудования;
использованием нескольких методов оценки замеряемых характеристик потока, проведение сравнений результатов нескольких способов оценки на каждом этапе исследований;
применением различных приёмов, помогающих прямо или косвенно оценить возможную ошибку в определении искомых параметров;
применением качественной фотосъёмки, обработкой данных с помощью ПК с сопутствующим программным обеспечением;
сопоставлением полученных экспериментальных данных с результатами ранее проведённых гидравлических исследований противоэрозионного покрытия в виде объёмной полимерной георешётки.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики Института при-родообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, а также на 4 международных научно-практических конференциях в период с 2012 по 2015 гг.
По результатам диссертационного исследования опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК России.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (96 наименований, в том числе 6 иностранных источников) и 1 приложения. Работа изложена на 233 страницах машинописного текста, иллюстрирована 168 рисунками и 37 таблицами.
Обзор конструкции объёмной полимерной георешётки
Процесс водной эрозии обусловлен различными, часто взаимосвязанными факторами. Среди них выделяют четыре основных группы: гидрологические, геологические, гидродинамические и техногенные. Для каждого конкретного объекта влияние того или иного фактора различно. В связи с этим берегозащитные и берегоукрепительные мероприятия представлены в довольно широком диапазоне [45].
В настоящее время имеется множество материалов и технологий, используемых в инженерно-строительных и природоохранных целях, как в нашей стране, так и за рубежом. К самым распространённым видам креплений можно отнести следующие: биологические, каменные, бетонные и железобетонные, цементо-грунтовые, асфальтобетонные, геосинтетические.
К биологическим креплениям относятся конструкции с применением плетнёвых клеток, заполненных камнем, плетнёвых заборов, посева трав и кустарников с глубокой и крепкой корневой системой, фашин и других материалов биологического происхождения. Рис 1.19. Укрепление откосов посевом трав: 1 – слой чернозема; 2 – борозда Каменно-набросные крепления являются наиболее распространёнными и долговечными. Выделяются следующие разновидности этого типа:
Габионные конструкции зарекомендовали себя как качественное, прочное и долговечное крепление откосов. Габионы — это гибкие конструктивные элементы, представляющие собой ящики различной формы, заполняемые камнем. Ящики изготавливаются из стальной оцинкованной проволоки, переплетённой в шестигранные ячейки.
Бетонные и железобетонные крепления чаще всего применяются в укреплении каналов, откосов грунтовых подпорных сооружений; выполняются в виде подпорных стен, свайных рядов, сборных или монолитных плит, массивов, блоков, ящиков, рам, гибких тюфяков. Рис 1.28. Укрепление откосов подпорными стенами: а) массивные подпорные стенки; б) тонкие железобетонные подпорные стенки; в) тонкие анкерные железобетонные подпорные стенки
Цементогрунтовые крепления – защитные покрытия с применением в грунте вяжущих. Обычно используются для создания противоэрозионной защиты поверхности откосов и устройства водонепроницаемого покрытия на бермах [8]. Различают укрепление набрызг-материалами и специальными экранами с применением полимерной плёнки.
Рис 1.30. Экран из полимерной пленки: 1-полимерная пленка; 2-защитный слой грунта Асфальтобетонные крепления делятся на сборные и сплошные. Асфальтобетонные противоэрозионные покрытия из сборных элементов используются для защиты подтопляемых частей откосов и состоят из двух слоев, между которыми присутствует армирующая сетка. Гибкое асфальтобетонное крепление используют как цельное полотно, изготавливаемое в заводских условиях, а в некоторых случаях непосредственно на месте производства укрепительных работ. Такие конструкции делят на гибкие битумные мембраны, асфальтобетонные покрытия, асфальтовые маты, экраны [8].
Геосинтетические материалы (геосинтетики) – это группа материалов, предназначенных для улучшения механических характеристик укрепляемых грунтов.
Одна из составных частей геосинтетических креплений представлена полимерным материалом. По своим свойствам такие материалы наиболее применимы в сфере обеспечения защиты объектов окружающей среды, а также в гидротехническом, дорожном, промышленном и гражданском строительстве.
Данная группа материалов имеет большое количество наименований. В нормативных документах [25,58] подробно представлена классификация данных материалов по выполняемой ими функции. Противоэрозионными являются 4 группы: - геополотна - сплошные геосинтетические материалы, сплетённые из волокон, нитей и лент по текстильной технологии (см. рис. 1.32); - геосетки - геосинтетические материалы, имеющие сквозные ячейки как правило квадратной формы, размеры которых превышают толщину рёбер (см. рис. 1.33); - георешётки - пространственные ячеистые конструкции, образованные из плоских лент, соединенных между собой швами. Как правило, высота модуля георешётки соизмерима с размерами её ячеек (см. рис. 1.34); - геоматы - проницаемые пространственные конструкции из полимерных ни тей или других элементов (синтетических или природных), объединённых меха ническим, термическим, химическим или другими способами (см. рис. 1.35).
Обзор способов и особенностей оценки параметров гидравлического сопротивления водотоков с повышенной шероховатостью
Применение первого способа оценки значения шероховатости Л привлекла внимание ряда ученых. Еще в 50-ых годах 19-ого века на основе опытов Дарси-Базена было получено, что значение коэффициента гидравлического сопротивления зависит от высоты неровностей, которые характеризуют степень шероховатости водотока. В настоящее время в большей мере экспериментально изучена степень влияния на поток искусственно сформированной шероховатой поверхности из уложенных в один слой зерен песка или гравия определенной крупности. Но даже для этого крайне простого случая вопрос о том, что именно нужно принимать за величину выступов шероховатости Л, является окончательно нерешённым.
Для оценки величины активной части выступов зернистой шероховатой поверхности используют два основных подхода [15]: - в расчетных формулах для коэффициента Шези С или коэффициента гидравлического трения А за величину шероховатости принимается средний диаметр частиц A=D50o/„; - высота выступов принимается равной половине среднего диаметра зерен A=0,5D50o/„.
Также в практике известны и частные случаи. Например, согласно исследованиям В.Н. Гончарова [22], если зерна не закреплены на дне водотока, и поток сам формирует своё русло, то расчетная высота выступов может определяться по формуле A=0,7D5%, где D5% - диаметр крупных зерен материала, процентная доля которых ко всему объёму материала равна 5%. По исследованиям М.М. Овчинникова [55] при тех же условиях: A=0,645D5%.
Эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость Лэ - это высота выступов частиц грунта одинакового размера, оказывающих то сопротивление водному потоку, которое равно действительному сопротивлению исследуемой шерохова 68 той поверхности. Таким образом, эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость э устанавливается не измерением высоты выступов, а в результате гидравлических исследований и является условной (фиктивной) величиной. Для определения значений э используются различные методы, описанные в технической литературе [23 и др.].
Из имеющейся нормативной литературы выделим рекомендации ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева по расчёту местных размывов русел, сложенных из нескальных грунтов, за креплениями средненапорных водосливных плотин, величина э для водотоков, сложенных камнем, определяется по графику, представленному на рис. 2.8 [70].
Отметим, что любой из существующих методов по оценке величины эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости э имеет недостатки. Во-первых, за основу расчётов принимаются результаты лабораторных исследований, которые содержат в себе некоторые погрешности из-за условий постановки эксперимента; во-вторых, при таком способе оценки приходится пользоваться специальными таблицами и графиками, разработанными авторами зависимостей.
Как было отмечено ранее, при проведении исследований многие авторы наблюдали разницу в полученных параметрах гидравлического сопротивления шероховатого водотока по мере изменения состояния потока от спокойного до бурному. В частности, в работах А.П. Сидорова [76], А.Я. Слободкина [77], В.И. Полтавцева и В.И. Ефремова [62], занимавшихся исследованиями водотоков с повышенной шероховатостью при - 10, данному вопросу было уделено особое внимание. При этом степень бурности потока напрямую будет зависеть от уклона поверхности рассматриваемого водотока. Автор Г.А. Раскопин [69], исследовав высокотурбулентные потоки в лотке с усиленной шероховатостью, отметил, что коэффициент Шези начинает зависеть от уклона дна при уклонах і 0,12. Другой автор О.М. Айвазян [2] на основе обширных исследований быстротоков с повышенной шероховатостью при различных уклонах і = 0,0512… 0,57 пришёл к выводу, что коэффициент гидравлического сопротивления может изменяться в определённом диапазоне значений. Исследователи А.Д. Альтшуль и А.М. Пуляевский пришли к заключению, что значение коэффициента гидравлического сопротивления зависит от числа Фруда Fr потока [5]. Также А.М. Калякин [40] при проведении исследований бурных потоков при - = 1,17… 1,57 пришёл к аналогичному выводу, что числа Фруда оказывают влияние на параметры гидравлического сопротивления.
Помимо оценки величины , особую роль следует уделять правильному выбору положения плоскости отсчёта глубин, которая, в свою очередь, определяет площадь живого сечения водного потока в каком-либо рассматриваемом створе, а также гидравлический радиус створа. В порах между элементами шероховатости возникают области, в которых вода, частично находясь во вращательном движении, в определённой степени участвует в формировании общего расхода воды. Следовательно, можно определить положение плоскости, ниже которой расход воды становится практически равным нулю. Такую плоскость называют плоскостью отсчёта глубин или гидравлическим дном, от которого следует отсчитывать глубину потока, что подтверждается целым рядом исследований. В работе Г.В. Железнякова [30] подробно описано и проанализировано несколько наиболее применимых способов определения положения гидравлического дна водотоков:
Визуальные наблюдения за потоком на укреплённом объёмной полимерной георешёткой водоотводящем откосе
Для достижения поставленной цели исследований и решения назначенных задач была создана экспериментальная установка (рис. 3.1), которая размещалась в одном из лотков гидравлической лаборатории кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики. Установка включала в себя фрагмент водо-отводящего откоса в естественных геометрических условиях без масштабирования, защищённого объёмной полимерной георешёткой с заполнением ячеек каменным крупнозернистым материалом.
Установка разделена на три участка: - водоприёмный участок, представленный приёмным резервуаром (3); - рабочий участок в виде фрагмента водоотводящего откоса (7); - отводящий участок, представленный прямоугольным лотком (10) и коллектором (14). Подача воды осуществлялась с помощью насосной установки по водонапорной трубе (1), оснащённой запорной арматурой для регулирования расхода подачи в приёмный резервуар с габаритами 230х207х223 см (3). Максимальный использованный в исследованиях расход составил 36,34 л/с. Для гашения кинетической энергии выходящего из трубы потока и для предотвращения волн на водной поверхности в приёмном резервуаре была предусмотрена специальная успокоительная решётка (2). Приёмный резервуар дополнительно был оснащён водосбросом-регулятором (4), выполненным в виде металлической трубы диаметром 20,0 см, отметка верха которой контролировалась подъёмным резьбовым механизмом. Для полного опустошения приёмного резервуара был предусмотрен опорожняющий трубопровод (5). Уровень воды (УВ) в приёмном резервуаре замерялся с по 83 мощью шпитценмасштаба (15), установленного в мерном стакане на стенке приёмного резервуара.
Из приёмного резервуара вода подавалась на исследуемый фрагмент водоот-водящего откоса через мерный водослив круглого сечения (6), необходимый для оценки величины расхода.
Рабочий участок представлял собой фрагмент водоотводящего откоса заложением m=1:2 (соответствующий ему уклон поверхности водотока (i = 0,447), шириной 100,0 см и длиной 302,0 см. Поверхность откоса была выполнена из деревянных гладких досок толщиной 4,0 см, соединённых в щит и покрашенных влагоустойчивой краской в несколько слоёв для исключения возможных потерь воды через щели по длине откоса. Боковые стенки рабочего участка выполнялись из органического стекла высотой 30,0 см. На созданный откос укладывался слой геотекстиля, используемый как обратный фильтр для конструкции георешётки, затем устанавливалась объёмная полимерная георешётка (8), фиксируемая с помощью анкеровки к щиту. После укладывался каменный крупнозернистый заполнитель различных фракций, укладка выполнялась до полного заполнения ячеек. Во избежание прогиба деревянного щита (значительный общий вес заполнителя) была предусмотрена опорная конструкция (9). За рабочим участком на расстоянии 100,0 см поперёк течения устанавливалась стенка (11) в специальных пазах, которая выполняла роль преграды вымытым из ячеек элементам заполнителя и обеспечивала необходимый подпор потока на выходном сечении с целью снижения влияния на определяемые параметры потока в контрольных створах по длине участка.
Отвод воды с рабочего участка осуществлялся по лотку прямоугольного сечения (10) шириной 104,0 см. Дно лотка было выполнено из бетонной стяжки, стенки из органического стекла. В конце водоотводящего лотка устанавливался жалюзийный затвор (12), регулируемый при помощи ручного механизма. Из во-доотводящего лотка (10) через сбросную шахту (13) вода попадала в водоотводя-щий коллектор (14), в который помимо этого также сбрасывалась вода из водосброса-регулятора (4) и опорожняющего трубопровода (5).
Для определения расхода воды, подаваемого на откос, использовался мерный водослив круглого сечения, выполненный из толстой гладкой пластиковой трубы с внешним радиусом окружности rф = 5,0 см. Установка водослива выполнялась с применением геодезического нивелира, благодаря чему было достигнуто его наиболее точное горизонтальное положение. Относительная отметка верха водослива, отмеряемая от дна водоотводящего лотка, составила 157,6 см.
Для определения действующего напора над кромкой мерного водослива Нвод использовался вынесенный за стенку приёмного резервуара мерный стакан, отметки водной поверхности в котором снимались с помощью прикреплённого к нему шпитценмасштаба. Мерный стакан изготавливался из органического стекла и был жёстко зафиксирован, при этом соединялся с приёмным резервуаром гибкой резиновой трубкой. Входное отверстие трубки располагалось на расстоянии 100,0 см от кромки мерного водослива, что соответствовало требованию по минимальному рекомендуемому расстоянию, равному 4Нвод [88]. Отметка шпитценмасштаба, соответствующая кромке мерного водослива (отметка нулевого расхода) по результатам замеров составила 36,90 см.
Согласно рекомендациям Н.П. Розанова [41], величина коэффициента расхода m водослива круглого сечения зависит от отношения действующего напора Нвод над ним к радиусу окружности Гф.
График по оценке пропускной способности мерного водослива на экспериментальной гидравлической установке Для проверки достоверности построения графика пропускной способности мерного водослива был проведен дополнительный расчёт расхода, но уже в отводящем прямоугольном лотке. Проверка заключалась в замере поля скоростей и глубин потока в контрольном створе и расчёте их средних значений. Далее определялся фактический расход, сравниваемый с расходом, полученным замером на мерном водосливе.
Оценка предельно допустимых неразмывающих скоростей потока
Оценочный расчёт скоростей водных включений в зоне №1 выполнялся по зависимости (2.43). Отметим, что при назначении начальной скорости движения водных включений в момент их отрыва от водной поверхности U о было сделано два допущения: - скорость «выплёскиваемых» водных масс на уровне плоскости раздела зон воды и воздуха (при =0,50) принималась равной максимальной скорости в створе дмах , которая находилась на высоте hMax от средней отметки каменного дна; - капли, двигающиеся выше плоскости раздела зон воды и воздуха (при 0,50) отрываются от более крупных включений, поэтому начальная скорость от рыва будет равна скорости, рассчитанной для водных включений на уровне плос кости раздела зон воды и воздуха (при =0,50). Данные допущения позволили использовать представленное выше уравнение (2.43), которое решалось методом последовательных приближений, т.к. число Рейнольдса Re в правой части напрямую зависело от значения скорости Ux в левой.
Для определения коэффициента воздухосодержания с помощью программного комплекса AutoCAD 2012 бурный аэрированный поток на фотоснимках разбивался на равные столбики, каждый из которых в свою очередь разбивался на слои. Каждому слою назначалась соответствующая ему глубина залегания Zi относительно плоскости отсчёта, проходящей через отметки верха стенок георешётки ІГЕО. Такой выбор плоскости отсчёта объясним неизменностью отметок ІГЕО в любом мерном сечении. Также в каждом столбце определялась глубина аэрированного потока (паэр — Нгео), отмеряемая от отметок ІГЕО, высчитывались относительные высоты Zj/ (паэр — Нгео) для каждого слоя. Далее отдельно в каждом слое определялись площади, которые были заняты водой и воздухом, ориентировочно высчитывалась концентрация воздуха по зависимости: На основе обработки ряда фотоснимков строился график распределения концентрации воздуха в зависимости от относительной глубины потока
Далее определялись средневзвешенные скорости в зоне смешения аэрированного потока, при этом, согласно рекомендациям [19], скорость воздуха принималась равной нулю. Для каждого сечения бурного аэрированного потока строилась эпюра распределения местных скоростей.
Завершающим шагом в построении являлось создание эквивалентного неаэ-рированного потока глубиной Н, соответствующей рассчитанной по зависимости (2.42) величине среднего воздухосодержания в потоке, согласно имеющимся рекомендациям [19]. В результате были получены эпюры распределения скоростей эквивалентного неаэрированного потока в створах, которые разделялись своими максимальными значениями дмах на две характерные зоны - зона влияния повышенной шероховатости (придонная зона) и зона влияния аэрации потока (привоз-душная зона).
Далее рассчитывались средние скорости для каждой зоны и отдельно определялись коэффициенты шероховатости щ и п2 для выбранных участков водотока по ранее рассмотренным зависимостям ряда авторов. Расчёт приведённого коэффициента шероховатости с учётом влияния на поток аэрации паэр был выполнен двумя способами: по рекомендованной зависимости (2.48), а также на основе расчёта всего эквивалентного неаэрированного потока. Полученные значения паэр сравнивались, а затем делались выводы.
В результате всех проведённых инструментальных замеров и соответствующих расчётов делались выводы относительно возможности применения методики [19] по отношению к бурным аэрированным потокам на водоотводящих откосах, укреплённых объёмными полимерными георешётками с каменным крупнозернистым заполнителем.
Исследования проводились на нескольких фракциях заполнителя № 2-7 (D50%= 1,6; 2,28; 2,65; 2,9; 3,24; 3,65 см), использовалась как сплошная, так и перфорированная лента георешётки. Исследованный уклон водоотводящего откоса i=0,447. Все вышеописанные результаты исследований крупнозернистого заполнителя объёмных полимерных георешёток на устойчивость размыву представлены далее. Аппроксимация экспериментальных данных выполнена с помощью графиков функции степенного вида, дающей наиболее точные коэффициенты достоверности по аппроксимации и в полной мере отражающего характер интенсивности процесса размыва. Отметим, что при увеличении крупности каменного заполнителя увеличивался и разброс экспериментальных данных, объясняющийся неоднородностью взаимного расположения элементов в разных ячейках в ходе укладки и последующего уплотнения, что непосредственно влияет на их устойчивость в большей или меньшей степени. Но несмотря на имеющийся разброс, по аппроксимирующему графику можно проследить общее развитие процесса размыва и оценить искомые значения скоростей потока.
Были определены значения скоростей потока на момент начала первых подвижек дпп элементов и начала массового размыва каменного крепления отдельно для каждой фракции. Скорость массового размыва дмр по результатам ряда замеров совпадала с точкой перегиба построенного графика, за которой график принимал практически вертикальное положение. Данный способ определения значений предельно допустимых неразмывающих скоростей в ходе проведения исследований был обозначен как графический.
Отметим, что фракция заполнителя №7 исследовалась без построения графика размывов, т.к. вынос из ячейки потоком даже нескольких камней давал существенный процент размыва, поэтому построение графика было бы весьма не информативным. Для данной фракции визуально выявлялись два граничных момента размыва (ПП и МР) и по построенному графику $ср = f(Q06iij) определялись критические скорости потока дпп и $мр , которые также представлены в таблице 4.1.
В исследованиях размывов заполнителя в ячейках георешётки со сплошной лентой дополнительно применялись три фракции №8-10 (D50o/„ = 17,4; 26,2; 26,7 мм). Визуально фиксировались два граничных момента размыва (ПП и МР) и замерялись соответствующие им средние скорости потока дпп и $мр , также с помощью мерного водослива определялись подаваемые расходы 0_о щ .