Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ . 21
1.1. Классификация эрозионных процессов и методы их прогноза 21
1.2. Факторы, определяющие интенсивность эрозионных процессов и транспорт наносов 33
1. Характеристики физико-механических свойств несвязных грунтов 33
2. Структура и статистические характеристики турбулентности водных потоков в деформируемых руслах 40
1.3. Механизм взаимодействия турбулентного потока с подстилающим грунтом и критерии устойчивости последнего 61
1.4. Механизм транспорта наносов водным потоком и методы расчета твердого расхода 75
Глава II. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА РАЗМЫВА НЕОДНОРОДНЫХ ПО КРУПНОСТИ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ 95
2.1. Объект и задачи исследования 95
2.2. Гидравлические установки, измерительная аппаратура, методика и программа исследований 96
2.3. Результаты исследований кинематической структуры потока в размываемом русле 108
2.4. Результаты экспериментальных исследований процесса общего размыва неоднородных по крупности несвязных грунтов 116
Глава III. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО
ПОТОКА С НЕСВЯЗНЫМ ГРУНТОМ 132
3.1. Расчет характеристик физико-механических свойств русловых грунтов и наносов 132
3.2. Установление закона распределения максимумов мгновенных скоростей потока 146
3.3. Статистические характеристики динамического воздействия турбулентного потока на неподвижные частицы несвязного грунта и критерии срыва последних 155
3.4. Установление закономерности изменения в процессе размыва гранулометрического состава поверхностного слоя несвязного грунта 180
3.5. Алгоритм расчета не размывающих скоростей потока для
неоднородных по крупности несвязных грунтов 202
Глава ІV.ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ТРАНСПОРТА НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА
' ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ 208
4.1. Взаимодействие турбулентного потока с переносимыми частицами грунта, статистические характеристики срывающих и взвешивающих турбулентных возмущений 208
4.2. Расчет осредненных параметров траекторий переносимых потоком твердых частиц 225
4.3. Разработка методики расчета транспорта наносов
при водной эрозии несвязных грунтов 240
4.4. Алгоритм расчета расхода руслоформирующих наносов
в турбулентном потоке и сопоставление с эксперимен
тальными и натурными данными 252
Глава V. ПРОГНОЗ ОБЩЕГО РАЗМЫВА РУСЕЛ, СЛОЖЕННЫХ НЕСВЯЗНЫМИ
И СВЯЗНЫМИ ГРУНТАМИ 262
5.1. Расчет распределения предельных размывов в заданном створе русла 262.
5.2. Разработка алгоритма расчета общего размыва русел применительно к одномерной модели неустановившегося руслового потока 270
5.3. Разработка алгоритма расчета общего размыва слабо извилистых русел при установившемся течении (плановая задача) 282
5.4. Сопоставление результатов расчета общего размыва несвязных грунтов с данными гидравлических исследований.310
Глава VІ.РЕШЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ПО ПРОГНОЗУ ЭРОЗИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ И ТРАНСПОРТА НАНОСОВ 315
6.1. Установление допускаемых неразмывающих скоростей водного потока для неоднородных по крупности несвязных грунтов при расчете каналов 315
6.2. Расчет среднего диаметра и предельных фракций каменной наброски из неоднородного материала 321
6.3. Расчет предельного размыва и транспорта наносов в каналах при наличии ветрового волнения 329
6.4. Учет неоднородности грунта при расчете местного размыва 340
6.5. Методика расчета параметров поверхностно-склоновой эрозии несвязных грунтов 348
6.6. Определение допускаемой длины отстойников . 354
ВЫВОДЫ 362
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 371
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Справочные материалы 406
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Примеры расчета 412
- Классификация эрозионных процессов и методы их прогноза
- Гидравлические установки, измерительная аппаратура, методика и программа исследований
- Расчет характеристик физико-механических свойств русловых грунтов и наносов
- Взаимодействие турбулентного потока с переносимыми частицами грунта, статистические характеристики срывающих и взвешивающих турбулентных возмущений
- Расчет распределения предельных размывов в заданном створе русла
Классификация эрозионных процессов и методы их прогноза
Эрозионные процессы разрушения, перемещения и отложения частиц (агреіатов) почв и грунтов под действием текущей воды называют водной эрозией. Несмотря на разнообразные проявления и специфические особенности различных видов годной эрозии, в основе их лежит общий механизм взаимодействия двух сред - движущейся воды и грунта, приводящий к изменению формы и положения контактной поверхности указанных сред за счет отрыва и перемещения твердых частиц (М.А.Великанов, 1955; И.А.Іфзьмин, 1973). Законы этого взаимодействия определяются в первую очередь свойствами сред - законами движения воды и физико-механическими свойствами грунтов. Конкретные проявления того или иного вида эрозионного процесса формируются под влиянием гидролого-геоморфологических, климатических и антропогенных факторов.
Современные классификации процессов водной эрозии выделяют в зависимости от гидролого-морфологических признаков следующие ее виды: поверхностно-склоновую, овражную, русловую, эрозию прибрежных зон водоемов, ирригационную, подземную (Д.1.Арманд, 19 М.Н.Заславский, 1979; В.В.Звонков, 1963; В.П.Лидов и др., 1954; Ц.Е.Мирцхулава, 1970; С.С.Соболев, I960; Г.И.Швебс, 1974). Каждый из этих видов в свою очередь подразделяется на ряд подвидов в зависимости от специфических особенностей того или иного эрозионного процесса (рис.1.I).
Гидравлические установки, измерительная аппаратура, методика и программа исследований
Экспериментальные исследования общего размыва неоднородных по крупности несвязных грунтов проводились в гидротехнической лаборатории Грузинского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (Грузниигиы) и в гидравлической лаборато-рии Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства (ЦНИИС) на трех гидравлических установках: малом, большом и среднем гидравлических лотках прямоугольного сечения. Схемы и общий вид экспериментальных установок представлены на рисунках 2.1, 2.2, 2.3. Гидравлические установки имели следующие размеры: малый лоток - длина 3,7 м, ширина 0,08 м; большой лоток;- длина 25 м, ширина 1,4-5 м; средний гидравлический лоток - длина 12 м, ширина 1,0 м.
Малый и средний гидравлические лотки имели остекленные борта и были снабжены соответственно механической и гидравлической системами изменения уклонов дна; в бортах большого лотка устроены смотровые окна. Малый лоток питался водопроводной водой; в средний и большой лотки вода подавалась из напорных резервуаров, в которых поддерживался постоянный уровень. Расходы воды в малом лотке измерялись объемным способом, средний и большой лотки для измерения расходов воды снабжены треугольными мерными водосливами. Головные участки лотков снабжены гасителями; для регулирования уровней воды в концевых участках устроены подъемные щиты.
Измерение уровней воды и отметок дна производилось мерными иглами, установленными на передвижных тележках; для фиксации колебаний уровней воды при образовании различных донных форм в среднем гидравлическом лотке были установлены емкостные волномеры. Осредненнне местные скорости потока измерялись мшсровер-тушкани типа Х-б; для измерения пульсаций продольной составляющей скорости течения использовался тензодатчик с обтекателем диаметром 4,3 мм и собственной резонансной частотой свыше 60 Гц.
Сигналы от тензодатчика, вертушек и волномеров подавались на многоканальный светодучевой осциллограф НOf3.1 и записывались на фотобумаге УФ-67. Общий вид датчиков уровней, скорости и комплекта регистрирующей аппаратуры дан на рис. 2 Л. Блок-схема измерения турбулентных характеристик течения и обработки экспериментальных данных представлена на рис. 2.5.
Измерение мутности потока производилось батометром К.К.Орлова; расход наносов определялся объемным способом путем измерения объема отложений наносов в отстойнике, устроенном в конце среднего гидравлического лотка.
class3 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО
ПОТОКА С НЕСВЯЗНЫМ ГРУНТОМ class3
Расчет характеристик физико-механических свойств русловых грунтов и наносов
Для теоретического анализа процессов взаимодействия турбулентного потока с подстилающим несвязным грунтом существенное значение имеют характеристики поверхностного слоя частиц, непосредственно воспринимающего воздействие потока и вместе с тем оказывающего влияние на скоростную структуру последнего. К таким характеристикам относятся: закон распределения размеров частиц поверхностного слоя, число частиц на единице площади дна, коэффициент оплошности укладки частиц поверхностного слоя, средняя высота выступов шероховатости, характер расположения частиц на дне потока. Однако до настоящего времени ряд вопросов, связанных с определением параметров поверхностного слоя не подучил соответствующего теоретического или экспериментального решения.
В русловом потоке поверхностный слой частиц и придонная область потока представляют собой единую систему, в которой каждый из элементов в одно и то же время зависит от другого и влияет на него. Поэтому определение ряда характеристик поверхностного слоя частиц - средней высоты выступов шероховатости разно зернистого грунта, параметров ориентировки частиц на поверхности дна и др. - невозможно без учета их взаимосвязи с кинематической структурой потока. Однако некоторые из характеристик поверхностного слоя приближенно могут быть рассмотрены вне связи с кинематикой потока в придонном слое и поэтому представляется возможным установить их теоретически.
Вследствие чрезвычайного многообразия форм, размеров, характера расположения частиц друг относительно друга все характеристики поверхностного слоя должны носить статистический характер, что указывает на целесообразность использования методов теории вероятностей при попытке определения их теоретическим путем. Принимаемая схематизация в отношении частиц несвязного грунта является общепринятой в динамике русловых потоков: из-за отсутствия в изыскательской практике инженерных способов определения морфологических критериев формы частиц различного размера последняя предполагается шаровой; считается, что все частицы имеют одинаковую плотность; рассматривается гладкое дно. Влияние формы частиц на процессы эрозии и транспорта наносов учитывается косвенным путем посредством использования в расчетах известных шкал гидравлической крупности и апробированных на большом экспериментальном и натурном материале формул неразмыва-ющих скоростей для однородных по крупности несвязных грунтов, в которых форма частиц различного размера учтена экспериментальным путем.
class4 ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ТРАНСПОРТА НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА
' ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ class4
Взаимодействие турбулентного потока с переносимыми частицами грунта, статистические характеристики срывающих и взвешивающих турбулентных возмущений
Согласно современным представлениям перенос твердых частиц турбулентным потоком обусловлен действием системы гидродинамических сил, основными из которых являются (М.М.Архангельский и др., 1974; М.А.Великанов, 1955; М.А.Дементьев, 1955; И.И.Леви, 1957; Н.А.Михайлова, 1966; К.И.Российский и др., 1972): подъемная сила, действующая на частицы грунта непосредственно вблизи дна и вызванная рядом гидродинамических эффектов, связанных с несимметричным обтеканием частиц у дна турбулентным потоком (см. разделы 1.3 и 3.3); сила гидродинамического сопротивления, зависящая от относительной скорости частицы и жидкости; в случае плоского потока она обычно разлагается на две составляющие - горизонтальную Чх и вертикальную W., , вызывающие соответственно горизонтальный перенос частиц и при определенных условиях их взвешивание: где сх и Су - коэффициенты гидродинамического сопротивления, зависящие от режима обтекания; ы и v - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости жидкости; w4 и \ ц - составляющие скорости твердой частицы.
Гидродинамические эффекты, связанные с неравномерным движениюєм частиц и обтекающей их жидкости в турбулентном потоке, проявляются в виде дополнительных сил, вызванных градиентом давления в окружающей частицу движущейся жидкости ускорением кажущейся массы частицы относительно жидкости влиянием нестационарности обтекания частицы (сила Бассэ) (И.О.Хинце, 1963; Р.Бусройд, 1975) где Vv и v - векторы скорости частицы и жидкости.
Влияние значительных градиентов осредненных скоростей жидкости du/dy в придонной области может проявляться в виде направленной вверх градиентной подъемной силы (Г.Л.Бабуха и др., 1969; СЕ.Сакс, 1970); вращательное движение, сообщаемое частицам грунта при срыве вызывает появление силы Магнуса (К.В.Гри-шанин, 1979; Н.Н.Гришин, 1979; М.А.Дементьев, 1955; А.А.Шрай-бер и др., 1972) где 0) - угловая скорость вращения частицы, сш - коэффициент. На кинематических параметрах движущихся частиц сказывается также влияние динамического эффекта соударения частиц друг с другом (при значительных концентрациях) и с выступами шероховатости дна (Г.Л.Бабуха и др., 1969; VTsuchia, 1969 ).
ПРОГНОЗ ОБЩЕГО РАЗМЫВА РУСЕЛ, СЛОЖЕННЫХ НЕСВЯЗНЫМИ И СВЯЗНЫМИ ГРУНТАМИ
ПРОГНОЗ ОБЩЕГО РАЗМЫВА РУСЕЛ, СЛОЖЕННЫХ НЕСВЯЗНЫМИ И СВЯЗНЫМИ ГРУНТАМИ
Разработанные методы расчета не размывающих скоростей потока для несвязных грунтов и расхода руслоформирующих наносов, составленные на их основе алгоритмы расчета применительно к несвязным грунтам, а также алгоритмы расчета указанных величин применительно к связным грунтам (Рекомендации ..., 1981) положены в основу разработки методики и алгоритмов расчета общего размыва русел, сложенных несвязными и связными грунтами.
Одной из часто встречающихся в практике эрозионных расчетов является задача расчета предельного размыва на коротком участке водотока или в заданном створе русла при сохранении постоянного уровня свободной поверхности. Расчет предельного размыва в заданном створе основан на предположении, что окончанию размыва соответствует равенство фактической и не размывающей скоростей потока:
Расчет размыва русел на основе равенства (І) в случае связных грунтов дает фактическую величину деформации, а для несвязных грунтов позволяет найти предельно возможную глубину размыва, к которой приближается глубина размыва при отсутствии притока наносов сверху по течению на расчетный участок.
Расчет предельного размыва ведется для постоянного расхода воды Q и расчетного уровня воды РУв в предположении, что за время стояния расчетного уровня произойдет стабилизация процесса размыва. Предельная деформация русла находится в результате численного решения следующей системы алгебраических уравнений зависимости для определения не размывающей скорости потока соответственно для несвязных (3.5.2) или связных грунтов (ВТР-П-25-80).
В случае неоднородных по крупности несвязных грунтов эта система уравнений дополняется интегральным соотношением для среднего диаметра частиц отмостки DOTM , представленным обобщенной формулой средних (3.5.5).
При значительном изменении отметок русла или состава русловых отложений по ширине створа, а также при выходе потока на пойму расчет можно вести по отдельным участкам (вертикалям), предварительно определив распределение удельных расходов воды по ширине потока.
