Содержание к диссертации
Введение
1. КРАТКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ ПО ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕМЕ 8
1.1 Обзор и анализ гидроморфометрических методов определения параметров уотойчивого русла
1.2. Анализ существующих методов построения формы русла 24
1.З. Анализ существующих критериев устойчивости земляных каналов 4^
2. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНШ ФОРМЫ РУСЛА, УЧИ
ТЫВАЮЩИЙ МУТНОСТЬ ПОТОКА 53
2.1. Общие замечания 53
2.2. Диссипация энергии в равномерном прямо - линейном потоке
2.3. Построение устойчивого поперечного сече - со ния на прямолинейном участке
2.4. Особенности численного интегрирования при определении параметров искусственного русла
3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА НЕКОТОРЫХ КАНАЛАХ
АЗЕРБАЙДЖАНА . 89
3.1. Исследование на канале им.В.И.Ленина 89
3.2. Верхне-Карабахский канал 90
3.3. Верхне-Ширванский канал 98
3.4. Методика натурных гидравлических исследований IOI
3.5. Точность измерения гидравлических харак -теристик каналов по данным натурных ис -следований 103
4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 107
ВЛИЯНИЕ МУТНОСТИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛОВ. 107
4.1. Сопоставление методов расчета поперечного профиля с натурными данными 107
4.2. Морфометрические зависимости для гидравлических устойчивых русел каналов 116
4.3. сопоставление параметров устойчивого русла канала с результатами натурных исследований на каналах 126
4.4. Особенности влияния мутности потока на его гидравлические параметры 134
5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ КАНАЛОВ 137
6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 144
ВЫВОДЫ 149
литература 150
Приложение 159
- Обзор и анализ гидроморфометрических методов определения параметров уотойчивого русла
- Диссипация энергии в равномерном прямо - линейном потоке
- Исследование на канале им.В.И.Ленина
- Сопоставление методов расчета поперечного профиля с натурными данными
- РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ КАНАЛОВ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В решениях ХХУІ съезда ИЮС по пятилетнему и перспективному плану развития народного хозяйства страны предусматривается осуществление больших работ по комплексному водохозяйственному строительству и орошению огромных масои -вов плодородных земель.
Возрастающие темпы развития народного хозяйства страны ставят перед гидротехниками вое более грандиозные задачи. В част -ности, можно отметить намечаемые в ближайшее время работы по пе -реброске части стока северных рек в оаосейн реки Волги и оибир -ских рек в среднюю Азию и Казахстан.
В Постановлении ЦК KUCC и Совета Министров СССР "Продо -вольственная программа СССР на период до 1990 годами.меры по ее реализации", принятом на пленуме ЦК КПСС 24 мая 1982 года, предусмотрено усиление исследований по рациональному использованию водных ресурсов и охране их от загрязнения и истощения, созданию экономичных и надежных в эксплуатации оросительных систем с механизированным и автоматизированным водопотреблением.
Известно, что, как правило, затраты, связанные с оросительными сиотемами, определяются строительотвом и эксплуатацией водопроводных каналов. Если при этом каналы представляют" собой не -закрепленные или частично закрепленные русла, то очевидна целе -соооразнооть наличия совершенных методов расчета параметров этих руоел. Так, в частности, раочеты, проведенные в БВ ВНИИ В0ДІЕ0, показали, что при 10$ сокращения эксплуатационных затрат главного канала для переброски части стока сибирских рек приведут к экономии порядка 50 млн.рублей в год. йзвеотно также, что ооыч -но фактором, определяющим устойчивость русел каналов, является мутность потока. Однако, в извеотных нам методах проектирования каналов учет этого фактора представляется несовершенным. В связи с этим, исследование рациональной формы русла ирригационных каналов о учетом мутности потока следует рассматривать как ак -туальную задачу, решение которой имеет практическое значение как для проектирования, так и для эксплуатации каналов в земля -ных руслах.
Цель работы. В связи со строительством и эксплуатацией крупных каналов (Каракумский, Северо-крымский, Верхне-Карабах -ский, верхне-Ширванокий, Иртыш-Караганда и др.) изучению их деформаций стали уделять осооое внимание. Изучение вопросов режи -ма работы каналов в условиях эксплуатации позволяет улучшить в дальнейшем проектирование и строительство других крупных каналов. Поэтому при проведении исследований в натурных условиях на Верхне-караоахеком, Верхне-Ширванском и главном муга иском каналах осооое внимание обращалось на кинетические характеристики потока и деформации русла в период эксплуатации. В итоге обобщены результаты исследований и разраоотаны рекомендации по расчету устойчивых поперечных сечений каналов с учетом мутности потока.
Автор защищает обобщенные результаты длительных натурных исследований на Верхне-Карабахском, Верхне-Ширванском и соеди -нительной ветке канала им.В.И.Ленина, позволившие разработать научно обоснованный метод проектирования земляных каналов.
Автор определил кинематические и морфомвтрические харак -теристики каналов в период эксплуатации, выявил причины возникновения деформации русла, предложил метод проектирования устойчивого поперечного сечения русла, учитывающий наряду с физико-механическими характеристиками грунта мутнооть потока.
Научная новизна. Исходя из условия сведения к минимуму деформаций эксплуатируемого русла разработан метод проектирова -ния его поперечного сечения, учитывающий мутность потока. По -ставленная задача решалась на ЭВМ и для расчета даны готовые таблицы.
Достоверность результатов. Полученные теоретические зави -симости сопоставлены с данными натурных наблюдений, проведенных на каналах Азербайджана ^Верхне-Караоахский, Верхне-ширванский каналы и канал им.В.И.Ленина) и Средней Азии.
Практическая ценность. Предложенный метод определения устойчивой формы канала может оыть использован в проектных организа -циях при проектировании ирригационных каналов в земляных руслах. При этом таблицы, составленные с использованием ЭВМ, позволяют значительно облегчить практические расчеты. Кроме того, иоследо -ванные каналы по своим климатическим и почвенно-геологическим условиям близки к району предполагаемой трассы переброски части стока оиоироких рек. Поэтому результаты исследований могут оыть использованы как при проектировании, так и эксплуатации канала.
Внедрение результатов исследования. Разработанный метод расчета по построению формы русла принят к внедрению Министерот -вом мелиорации и водного хозяйства Азербайджанской ССР и оыл внедрен при строительстве ирригационных каналов Саатлинского УОС Азеро.ССР. Использование предлагаемого метода расчета поперечно -го сечения каналов привело к сокращению эксплуатационных затрат. Годовой экономический эффект для данного УОСа составил 70 тыс. рублей.
Апробация работы. Результаты работы, приведенные в диссертации, доложены и одобрены на ІУ гидрологическом съезде в Ленинграде, 1978 г.; на У научной конференции профессорско-преподава- тельокого состава и аспирантов Азероайджанского инженерно-строительного института; на расширенном заседании кафедры "Организация и технология ГТ и ГМ работ" в марте 1980 г., в лаборатории инженерной гидравлики и на открытом НТС Бакинского филиала ВНИИ ВОДПЗО, а такке на заседании секции гидравлики сооружений и оборудования ГЭС Ученого Совета Казахского научно-исследовательского института энергетики в 1982 г.
Публикация. Материалы, отражающие основное содержание рабо ты, опубликованы в четырех статьях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и описка литературных источников. Раоота изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 18 таблиц, список литературных источников из 80 наименований.
Обзор и анализ гидроморфометрических методов определения параметров уотойчивого русла
Как известно, на русловой процесс оказывает влияние мно -жество факторов. Это относится как к естественным, так и к ио -кусственным руслам.
Основоположниками учения о формировании русла в России считаются В.МЛохтин / 41 / и Н.С.ЛЄЛЯВОКИЙ І 37,38 /.
Большой вклад в развитие теории и практики руслоформирова -ния внесли Н.Е.Жуковский, В.Е.Тимонов, В.Г.Глушков, С.Т.Алтунин, В.Н.Гончаров Ю.А.Ибад-заде, И.И.Леви, М.А.Мостков, Н.Б.Кересе -лидзе, П.А.ПЬтоерашвили, Ц.В.Мирцхулава, Г.В.Железняков, А.М.Му-хамедов, Д.И.Соколов, О.Г.Штишвили, Т.Г.Войнич-Сяноженокий, А.В. Караушев, Н.Е.Кондратьев, Н.А.Ржаницин, А.й.Фидман, К.И.Росин -ский, А.Ф.Печкуров, И.Л.Розовский, И.В.Попов, Х.Ш.Шапиро, Е.К. Рабкова, В.С.Алтунин, Р.М.Каримов, А.В.Троицкий и другие.
Основным параметром поперечного сечения на прямолинейных участках каналов принято соотношение ширины русла Б к его средней глубине hcP / 25 /. 1ак, например, В.Г.Глушков / 18 / полагал, что для равнинных рек на уотойчивых участках при определен -ном грунте ложе реки имеет место зависимость:
Основным недостатком приведенных формул является недостаточная определеннооть значений величин Г и Д , зависящих от грунта ложа русел рек и каналов. Обращает на сеоя внимание так -же несоблюдение принципа размерности. При m = 0,5 и ГП = 1,0 величина А имеет различные размерности. Оставляет, желать лучшего учет грунта, слагающего русло.
М.А.Великанов / 11,12 / указывал, что зависимость (Д.І) имеет эмпирический характер, отсутствует согласованность с принципами размерности, а также отсутствует связь эмпирического коэффициента Г с размером наносов g)cp . Это навело М.А .Велика -нова на мысль о введении в эту формулу величины 3)ср . При этом, по мнению М.А.Великанова,критерием устойчивости русла может служить выражение:
М.А Великанов отметил, что предложенная им завиоимость относится к предельно активным условиям речного потока, когда его мощность в отношении формирования овоего русла проявляется в наибольшей степени, а именно, при предельных горизонтах, не выходящих на пойму, так как именно при расходах, соответствующих этим горизонтам, в реке наблюдаютоя наибольшие скорости.
Следует отметить, что, если между геометрическими и гид -равлическими параметрами твердых частиц существует однозначная зависимость, то вопрос о выборе этих параметров не имеет принципиального значения и может оыть решен лишь на основе сравнительной их оценки на массовом материале как полевом, так и лабора -торном.
class2 ПРЕДЛАГАЕМЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНШ ФОРМЫ РУСЛА, УЧИ
ТЫВАЮЩИЙ МУТНОСТЬ ПОТОКА class2
Диссипация энергии в равномерном прямо - линейном потоке
В настоящее время можно считать оощепризнанным, что в процессе деформации русел ооразуютоя такие формы поперечного сечения, в которых дисоипация энергии уменьшается. Последнее оыло показано еще М.А.Великановым (см.например / 12 /). Поэтому,естественно ожидать, что по окончании процесса необратимых деформаций, когда форма русла олизка к его наиболее устойчивой форме, диссипация энергии оудет минимальной. Это положение оыло впер -вые практически использовано ю.А .йоад-заде /.27-7 и затем совершенствовалось этим же автором в оолее поздних работах / 30,32 /, однако им не учитывалось изменение мутности патока.. ..
Попытка учета влияния мутности на форму устойчивости поперечного сечения потока имела место в_разябранной выше, яодрооной раооте Б.В.Петрова / 56 /. Однако в.силу„присущих упомянутой работе недостатков, она не получила применения, в. практике проектирования. Таким ооразом, нам не известны методы определения.устойчивых форм русла, сочетающих одновременно стремление потока создавать сечения, минимизирующие диссипацию-энергии и .учитывающие, . изменение мутности в пределах живого сечения. .,
Ниже, используя метод Ю.А.Ибад-заде, нами сделана попытка построения такой формы русла.
class3 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА НЕКОТОРЫХ КАНАЛАХ
АЗЕРБАЙДЖАНА . class3
Исследование на канале им.В.И.Ленина
В I960 г, вступила в строй соединительная ветка канала ---им.Ленина (рис.3.1), оерущая начало после отстойника на глав -ном муганском канале, гаосматриваемый участок имеет длину . 3562 м, уклон дна 0,00021.
Шпал прямолинейный на всем .своем протяжении, сечение по проекту трапецеидальное с шириной по дну 6,0 м,. заложениями откосов 1:1,5, проходит в полувыемке-полунасыпи. Глубина воды при нормальном расходе Qtp = 18,8 ьР/аек, Нс = 2,43 м, при форсированном расходе Q9 = 21,6 м3/сек, НсР - 2,64 м. Соответственно площадь живого сечения Оср = 23,45 м2, 09 = 26,2 м2, скорость Л Р= »8 м/сек и Л/ = 0,82 м/сек.
На выбранном участке канала оыли закреплены девять створов (рис.3.2), на которых проводились научно-исследовательские работы. Результаты этих работ приводятся в таблице Верхне-Карабахский канал располагается на территории Кара-оахской и Мильской степей Кура-Араксинской низменности. Водоза-оор осуществляется из верхнего бьефа Мингечаурского водохранилища по тоннелю 1,3 км. Строительство канала закончено в 1958 году.
Канал проходит около районных центров арда и Агджаоеды, а в конце вода канала сбрасывается в реку Араке в районе Баграм-Тапинского ирригационного узла. Длина канала 172 км, уклон по трассе составляет 0,0009, максимальный расход - 113,5 м3/сек, средний расход - 68,5 м3/сек.
class4 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 107
ВЛИЯНИЕ МУТНОСТИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛОВ. class4
Сопоставление методов расчета поперечного профиля с натурными данными
В главе I нами проанализированы основные методы расчета формы русла.
Ввиду отсутствия значения некоторых величин, входящих в формулы разных авторов, а также, учитывая замечания, отмеченные в оозорной части, мы при сопоставлении методов расчета с фактическими поперечными профилями ограничились рассмотрением предложений М.А.Мосткова, Кохлина и нашего.
Методика построения расчетных поперечных сечений заключалась в следующем.
В процеосе расчета предполагались заданными: расход воды ( 0 ), гидравлический уклон ( Э ), коэффициент шероховатости ( h ), максимальная глубина ( hmc,x )t угол гидродинамическо -го равновесия ( Ф ). Расчеты по разным методам проводились в следующем порядке:
а) Метод М.А.Мосткова.
Для случая отсутствия поперечной циркуляции форма русла по М.А.Мооткову описывается системой выражений (1.64), (1.65), (1.66), (1.66а) и (1.660).
Зададимся шириной русла по верху )В . ипределим по зависимости U.65) площэдь живого сечения сО и по зависимости(1.66) длину смоченного периметра jC . Определим далее по за висимостям (1.66а) гидравлический радиус R и расчетный рас ход Q .
Определив величину Б по зависимости (1.64),строим по -перечное сечение русла.
б) Метод Кохлина. Расчеты по методу кохлина (.или по методу влекущей силы) подробно описаны в гл.1 и пояснений не требуют.
в) Предлагаемый метод расчета. Зададимся значениями расхода Q , уклона J , коэффи -циента шероховатости П , угла гидродинамического равновесия ip . Подсчитаем значение комплекса ПОА/Т
Рекомендации по гидравлическому расчету каналов
В главе 2 были получены зависимости, определяющие форму поперечного сечения канала, - формулы {,2.51) и соответствующие таблицы. Параметры, входящие в эти зависимости, как и аналогич -ные параметры Ю.А.Ибад-заде / 27 /,не зависят от пропускной способности каналов {.в частности, от величин hmcnt » Q » 3 ). Такой результат, видимо, и следовало ожидать, поскольку формы канала образуются в результате взаимодействия воды и грунта в об -ласти их контакта, где имеют значение свойства грунта (, if ) и градиент скоростей {, V ), а не абсолютные значения местных продольных скоростей, именно эти параметры вошли в зависимости {,2.51).
С другой стороны, пропускная способность канала {, Q ) и его размеры {. rim ) зависят от гидродинамических параметров и свойств грунта, слагающего русло. При проектировании канала мы можем столкнуться с двумя случаями:
а) когда величина nWCcK » определяемая зависимостью {,2.52) в зависимости от расхода воды (, 0 ),окажется
где Ц и ПтйУ а - соответственно допускаемые касательное напряжение и максимальная глубина канала;
б) когда условие {,4.17) не выдерживается.
Очевидно, что в случае "а" канал не будет терять общей поперечной устойчивости и при этом его средняя скорость Л/ Л . Таким образом, до тех пор, пока выполняется условие {,4.17), вое размеры канала t,a также его форма) определяются совокупностью
Ццнако в условиях, когда не меняютоя шероховатость канала П ) и его гидравлический уклон { J ) вместе с ростом расхода воды (. 0 ), условие U.I7) рано или поздно нарушится и у канала оудут такие размеры, когда он потеряет общую поперечную устойчивость.
Ваши натурные исследования и их оораоотка показали, что границей устойчивости служит любое из условий (.4.11) - И.16).
