Введение к работе
Актуальность проблемы. К числу основных задач любой правительственной программы входит обеспечение страны продовольствием, сельскохозяйственным сыреем, строительным материалом, электроэнергией, при решении которых используется достижения научно-технического прогресса в народном хозяйстве. В свою очередь развитие народного хозяйства в современных условиях обладает развитием гражданского и промышленного строительство на поймах рек, интенсивным сельскохозяйственным освоением пойм, дноуглубительными работами в руслах рек, связанными с развитием судоходства, разработкой карьеров в руслах рек для добычи местных строительных материалов, интенсивным забором воды для орошения земель.
Интенсивное развитие сельского хозяйства и повышение потребности в орошении земель характерное для климата Средней Азии, привела к резкому изменению режима движения водного потока в руслах рек. Это связано с тем, что для обеспечения сельского хозяйства необходимым объёмом воды требуется возведение новых гидротехнических сооружений или реконструкция уже существующих сооружений, являющийся главным средством управления водными ресурсами в целях их комплексного и высокоэффективного использования.
Для выполнения выше перечисленных мероприятий необходимо качественно проектировать предполагаемые сооружения. А при проектировании таких сооружений требуются прогнозные данные о русловых процессах-деформациях и динамике потока возле сооружений.
В большинстве случаев положение русел рек, их глубина с течением времени изменяются (происходят русловые деформации). Поэтому для качественного проектирования соответствующих сооружений и производства работ требуется осуществить прогноз русловых деформаций.
Кроме того, большинство рек зарегулировано в связи созданием на них водохранилищ различного назначения, а также большое количество плотинных и
бссплотинньк водозаборов. Все это существенно изменяет естественный ход
руслового процесса и требуется прогноз этого изменения.
Поэтому проблема изучения и разработки теории русловых процессов,
динамики русловых потоков всегда привлекала внимание ученых.
Однако, несмотря на обилие работ, посвященных этой проблеме, ее решение еще далеко от практического завершения. Причиной этого является сложность и многофакторность протекания русловых процессов в пространстве и во времени. Особенно большие сложности возникают при проектировании различных речных
' сооружений на реках, русло которых вследствие больших уклонов дна, высоких скоростей течения и легкой размываемости донных отложений, представленных мелкопесчаными, слабыми грунтами, подвержено чрезвычайно сложным интенсивным плановым и глубинным деформациям. Примером такой реки служит Амударья. Конкретный прогноз русловых деформаций в районе таких сооружений обычно осуществляется методами физического или численного моделирования. Настоящая работа посвящена совершенствованию последних, в связи с чем ее актуальность не вызывает сомнений.
Разработка новых методов прогноза деформации русел рек, сложенных легкоразмываемыми грунтами, учитывающих результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований по изучению русловых процессов, приводящих к решению вопросов получение достоверных прогнозных данных о деформациях, является решением важной народнохозяйственной проблемы,новым достижением в области научного обоснования в реконструкции эксплуатируемых и возводимых объектов гидротехнического строительство, в ускорении научно-технического прогресса в этой отрасли.
Целью работы является научное обоснование и разработка новых и совершенствование методов прогноза деформаций русел, сложенных легко размываемыми грунтами и последующее применение этих методов для решения ряда сложных проблем современной речной гидротехники.
Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи:
- на основе аналитического обзора литературы и натурных наблюдений
сформулировать особенности руслового процесса рек, протекающих в легкоразмываемых грунтах и провести адаптации формулы Р.А.Бэгнольда для определения транспортирующей способности потока к этим условиям;
- иа основе анализа двухмерных уравнений Сен - Венана и уравнений для коэффициента гидравлического трения разработать способ пересчета с модели в натуру данных физического моделирования потоков с деформируемым дном в условиях развитого грядового режима;
- для русел произвольного сечения разработать математическую модель, позволяющую рассчитывать деформации дна даже в таком сложном случае, когда на рассматриваемый участок речного русла с границы поступает поток чистой воды и составить конечно - разностную схему (численную модель), обеспечивающая быструю сходимость итераций в случае, когда это русло является непризматичным; создать двухмеріг/ю математическую модель для расчета русловых деформаций в плане, позволяющую учесть как для донных, так и для взвешенных руслоформирующих наносов тот факт, что во многих случаях вектор скорости течения не совпадает с вектором расхода наносов;
- разработать математическую модель для расчета сложных течений в сильно меандрирующих руслах для случаев, когда направление течений в бровках русла, на пойме и над бровками русла имеют существенно различные направления;
-с помощью разработанных методов осуществить прогнозы русловых деформаций в районе крупных водозаборов на орошение из русел рек, протекающих в легкоразмымаемых грунтах.
Научная новизна и практическая значимость . В диссертации разработаны, научно обоснованы экспериментально и данными натурных исследований проверены принципиально новые подходы прогноза деформации русел рек протекающих в легкоразмымаемых грунтах. Проведен анализ условий связи модели и натуры с использованием двухмерных уравнений Сен-Венана и уравнение баланса наносов с формулой Р.А. Бегнольда для транспортирующей способности потока. Рассмотрен весьма сложный случай, когда русловой процесс происходит в грядовом режиме. При этом коэффициент гидравлического трения связан с
размерами гряд, которые в свою очередь, связаны с параметрами потока. Показано при каких определенных условиях является возможным осуществление физического моделирования. Выполнены преобразования подобия, позволившие получить систему алгебраических уравнений для пересчета данных с физической модели на натуру. Эта система уравнений аналитически не решается, поэтому их численное решение представлено в виде графиков, по которым можно определить необходимые для модели характеристики и пересчитать результаты измерений с модели в натуру.
Предложена одномерная модель, которая отличается от существующих наличием дополнительных членов, позволяющих для русла произвольного сечения рассчитывать потоки, в которых мутность потока далека от насыщающей. Кроме того, для непризматичных русел разработана оригинальная быстросходящаяся итерационная процедура.
Путем физического анализа, как фазы скачкообразного движения твердых частиц в потоке, так и фазы сплошного влечения, получена новая математическая модель деформаций русла в плане, которая описывает даже такие сложные эффекты, как переформирование подводного склона, образующая которого параллельна вектору скорости потока.
Разработан новый метод расчета русловых деформаций, который позволяет без ощутимой потери точности в некоторых случаях сократить время проведения расчетов в 10"=" 100 раз.
При проведении прогнозных расчетов натурного объекта, участка р. Амудрья в
районе крупного ирригационного водозабора, установлено что осушение и
затопление участков русла и поймы будет происходить одновременно с
деформациями дна и размывом берегов. Подобные расчеты руслового процесса в
таком объеме проведены впервые в практике проектирования гидротехнических
объектов. Представленные в диссертации научно-обоснованные методы погноза
деформации русел рек, позволяют рационально запроектировать различных речных
берегоукрепительных, защитных сооружений на реках протекающих
легкоразмываемых грунтах.
Использование разработанных в диссертации методов расчетов дает возможность обосновать экономичные проектные решения по многим водохозяйственным объектам различного характера.
В результате многолетних исследований разработаны специальные методы для расчета деформации русла реки, позволяющая прогнозировать ход и направленность русловых процессов. Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках ряда научных исследований, осуществленных кафедрой гидравлики ТИИИМСХ, госбюджетной работы НПО САНИИРИ по заказу Министерства Сельского и Водного Хозяйства Республики Узбекистан на выполнение тему № 0040301Д1: «Составление балансовой схемы твердого стока с учетом влияния зарегулированности русла, гидроузлов, увеличивающихся отборов воды », а также хоздоговорных работах с государственными и не государственными предприятиями занимавшимся эксплуатацией и реконструкцией речных гидротехнических сооружений на реках с легкоразмываемыми руслами.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена применение новейших вычислительных технологий и доказательством сходимости предлагаемых численных схем теоретическим путем. Основное подтверждение достоверности обусловлено тестированием разработанных методов расчета на лабораторных экспериментах и натурных наблюдениях.
Личный вклад. Диссертация является результатом многолетних исследований
автора, которые проводились им в отделе русел НПО САНИИРИ и на кафедре
гидравлики ТИИИМСХ. Постановка проблемы, формулирование всех
рассмотренных задач,поиск пути их решения теоретическими и
экспериментальными путями, а также приведенные в диссертации научные и
практические результаты, их анализ, формулировка окончательных выводов
осуществлены лично автором диссертации. Натурные исследования,
представленные в данной работе, осуществлялись сотрудниками отдела русел НПО САНИИРИ при непосредственном участии автора диссертации. При постановке ряда перечисленных выше задач автор диссертации получил ценные советы от
заслуженного деятеля науки Российской Федерации, доктора технических наук И.С.Румянцева. Эффективный помощь, в преодолении сложных математических проблем исследований, выполнявшихся в рамках настоящей работы, автору диссертации оказал доктор технических наук и А.Н. Милитеева. Большую помощь в выполнении диссертационной работы оказал заведующий отделом русел НПО САПИИРИ, доктор технических наук Х.А. Исмагилов.
Реализация результатов исследований. Разработанные при непосредственным
участии автора научно практические рекомендации по организации очистительных
работ и правильного выбора место установки земснарядов в целях
гарантированного обеспечения водозабора в Каршинский магистральный какал
были использованы эксплуатационными предприятиями треста
Кашкадарьяводстрой Министерство Сельского и Водного Хозяйство Республики Узбекистан, а также при прогнозирование русловых процессов реки Амударьи вблизи населенных пунктов республики Туркменистан. Кроме этого, составленные математические модели использовались в практических расчетах отделов проектных институтов АО Узгипрмеливодхоз и Уздавсувлойиха.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложени на заседаниях кафедры Гидравлики ТИИИМСХ, научно-технической конференции ТИИИМСХ . (Ташкент, 1994 г.), Международной конференции "Математические моделирование и вычислительный эксперимент". (Ташкент,1994 г.), научной конференции "Чистая вода". (Ташкент, 1994). Республиканской научно-технической конференции ТИИИМСХ. (Ташкент, 1996 г.), научно-технической конференции ВЦ АН РФ (Москва, 1997 г.), научном семинаре института Водных проблем АН РУ(Ташкент,1998), Республиканской научно-технической конференции ТИИИМСХ. (Ташкент, 1998 г.), Международной научно-технической конференции института Механики АН Узбекистана (Ташкент, апрель 1999),Республиканской научно-технической конференции ТИИИМСХ. (Ташкент, 1999 г.), научном семинаре отдела русел НПО САІШИРИ (Ташкент,2000 г.),расширенным научном семинаре кафедры гидравлика ТИИИМСХ (Ташкент,2000 г.).
Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит свыше 25 наименований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и списка литературы из 151 наименований. Всего 24о" страниц, из них 15 таблиц и 54 рисунка.