Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ледовые процессы на водотоках в период ледохода . 8
1.1. Ледоход на территории России. 8
1.2. Ледовые затруднения в период ледохода. 9
1.3. Ледоход на реках Дальнего Востока. 15
1.4. Ледовый режим многорукавного русла. 16
1.5. Заторные явления на незарегулированиых участках рек 18
Выводы по главе 1. 24
Глава 2. Моделирование ледовых явлений и потоков с ледовыми образованиями . 26
2.1. Моделирование ледовых явлений. 26
2.2. Кинематика ледохода. 34
2.3. Метод борьбы с заторообразованием разломом льдин на «затопленном ледобое». 37
2.4. Расчет параметров конструкции широкого порога затопленного ледобоя. 42
2.5. Расчет напряжений, возникающих в ледовом поле, 46
Выводы по главе 2.
Глава 3. Физическое моделирование ледохода на равнинной реке с инженерным сооружением . 49
3.1. Постановка задачи. 49
3.2. Описание условий создания модели и проведения лабораторных исследований . 51
3.3. Планирование эксперимента 62
3.4. Результаты моделирования редкого ледохода. 64
3.5. Статистическая обработка экспериментальных данных. 67
3.6. Построение исправленных полей скоростей. 71
Выводы по главе 3. 71
Глава 4. Моделирование ледовых затруднений на мостовом переходе в электронной среде . 74
4.1. Назначение модели, 74
4.2 Математическое основание модели и исходные данные . 75
4.3. Практическая реализация и структура модели, 82
4.4. Результаты моделирования, 87
Выводы по главе 4, 89
Выводы по работе. 91
Список литературы. 93
Приложения. 100
- Заторные явления на незарегулированиых участках рек
- Метод борьбы с заторообразованием разломом льдин на «затопленном ледобое».
- Описание условий создания модели и проведения лабораторных исследований
- Математическое основание модели и исходные данные
Введение к работе
Для целого ряда населенных пунктов проблема наводнений вообще и зимних в частности существует со времен основания. И если пагубные для хозяйственной деятельности человека последствия летних дождевых паводков удалось значительно снизить путем строительства дамб и защитных сооружений, то в случае с зимними паводками деятельность человека лишь усугубила ситуацию.
Данная ситуация потребует решения весьма сложного комплекса задач, направленных на системное моделирование ледохода и принятие нестандартных инженерных решений, направленных на предотвращение негативных последствий ледовых заторов и зажоров.
Зимние режимы рек нашей страны в целом весьма сходны между собой (различия задаются местными гидрологическими условиями, характером паводковых и меженных периодов, притоками и их размерами, осадками, антропогенным влиянием на водоток или водоем и другими явлениями) [13, 15, 18]. Вместе с тем существуют и определяемые огромными расстояниями различия, в первую очередь - в происхождении самых интенсивных ледоходов и их характере. В последние десятилетия в связи с активным хозяйственным освоением северных и восточных территорий России все более остро встает проблема прогнозирования и предотвращения негативных (в том числе катастрофических) ситуаций, возникающих вследствие зимних наводнений и весенних ледоходов на реках. Поэтому актуальными становятся работы, которые ставят своей целью разработку комплекса мер, как аналитического, так и технического характера, позволяющих свести к минимуму ледовые затруднения на участке незарегулированного водотока.
В качестве объекта исследований автором была выбрана река Амур, характеризующаяся высокой дружностью ледовых паводков, значительными расходами и большим объемом относительно теплых водных масс,
5 приходящих из притоков выше по течению. Это способствует общему ослаблению льда в период до паводка, что, в свою очередь, провоцирует резкое и синхронное вскрытие ледового покрова проток и основного русла.
Объект диссертационного исследования позволил рассмотреть, возможно, наихудший случай возникновения ледовых затруднений, где одновременно взаимодействуют многорукавное русло, ледовая ситуация, осложненная низкой зарегулированностыо водотока, и антропогенные факторы.
Цель работы заключалась в оценке ледоразрушающей способности кривых подпора - спада, вызываемых помещением в поток преграды определенных размеров (так называемых, затопленных ледобоев (ЗЛБ)) методами математического и физического моделирования; в экспериментальных исследованиях закономерностей деформирования и разрушения льда кривыми подпора-спада для получения физической картины происходящих явлений; сравнении эффективности различных схем расстановки затопленных ледобоев (ЗЛБ); в разработке компьютерных программ, предназначенных для прогноза ледовых явлений при различных граничных условиях.. Результаты, полученные в рамках работы, применимы и полезны в других схожих ситуациях.
Для достижения указанной цели в работе необходимо было решить следующие задачи: о изучить физические явления, происходящие при взаимодействии препятствия
(ЗЛБ) с ледяным покровом; о выделить основные факторы, влияющие на ледоразрушающие свойства ЗЛБ; о проанализировать и выбрать критерии подобия для моделирования
деформирования и разрушения ледового покрова кривыми подпора -
спада; о разработать физическую модель разрушения ледовых полей на основе
естественного льда, приготавливаемого в искусственных (лабораторных)
условиях; исследовать механические характеристики модельного льда; о определить алгоритм наивыгоднейшей расстановки ЗЛБ.
Достоверность полученных результатов базируется на том, что исследовались реальные физические процессы, происходящие при взаимодействии ледового покрова и ЗЛЕ; применялись апробированные формулы и зависимости; проводилось сопоставление результатов моделирования (после пересчета на натуру) с доступными данными по выбранному водотоку (р. Амур - участок в районе г. Хабаровска).
Научная новизна исследований, осуществлявшихся в рамках настоящей диссертации, состоите следующем:
исследовано движение, деформирование и разрушение сплошного свободно плавающего ледяного поля под воздействием кривых подпора-спада, вызванных помещенными в поток препятствиями (ЗЛБ) с заданными параметрами;
предложены новые зависимости для прогнозирования ледоразрушающих свойств ЗЛБ;
разработана и апробирована методика лабораторного моделирования ледовых полей при отсутствии термолотка.
Практическая значимость работы состоит в следующем. Разработана схема воздействия на отдельные льдины полностью затопленного водослива с широким порогом (ЗЛБ), заключающаяся в предварительном разрушении ледовых полей кривыми подпора - спада. Результаты исследований использовались при выполнении хоздоговорных работ «Математические модели и компьютерные программы для математического моделирования движения льда, образования зажоров и заторов» (для Государственного института прикладной экологии МНР России в 2003-2005 г.г).
Апробация работы. Осн овн ы е положения вып олненных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГУП (2003...2006), Международном Конгрессе «Вода: экология и технология» - ЭКВАТЕК (Москва, 2004), Международном Симпозиуме МАГИ по льду (С.-Петербург, 2004), Международной
7 конференция «Динамика и термина рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (ИВП РАН, Москва, 2004).
Инновации, разработанные в данной работе для решения проблемы заторно - зажорных явлений на р. Амур в период ледохода в дальнейшем применимы на любых других равнинных незарегулированных водотоках в схожих ситуациях.
s Глава 1. Ледовые процессы на водотоках в период
ледохода.
1.1. Ледоход на реках России.
» Вскрытие рек, текущих с севера на юг, начинается с низовьев, и лед,
постепенно отрываясь от кромки ледяного покрова, уносится вниз по течению. Прочность льда в этом случае вследствие повышения температуры воздуха, действия солнечной радиации и поступления в реку талых вод значительно снижается, и весенний ледоход на этих реках обычно проходит относительно спокойно [37,38].
Другие условия ледохода создаются на реках, текущих в меридиональном направлении с юга на север (многие реки Сибири и Севера). Снеготаяние, начинающееся в южнее расположенных верховьях рек, вызывает подъем воды и ледоход. Паводочная волна, перемещаясь вниз по реке, встречая на своем пути еще достаточно прочный лед, все же взламывает его, поэтому следует считаться с возможностью большей прочности льда в период весеннего ледохода. Кроме того, плывущие массы льда нередко встречают еще не взломанный ледяной покров, что создает благоприятные условия для образования заторов и катастрофических подъемов уровня воды, которыми и сопроволсдаются ледоходы многих рек Сибири [46, 56]. Это наиболее тяжелые условия ледохода, протекающего бурно, при высоких горизонтах, с многочисленными проявлениями разрушительной деятельности льда [15],
Наконец, серьезное влияние на характер вскрытия реки оказывают количество снега в бассейне и ход температур воздуха в весенний период. Так, например, в районах Забайкалья и Дальнего Востока из-за недостаточного количества осадков в виде снега ледоход протекает при низких горизонтах, более или менее спокойно, несмотря на значительную
* толщину ледяного покрова. Быстрое потепление, охватывающее
значительную часть бассейна реки, приводит, наоборот, к резкому подъему
9 горизонта воды, раннему взламыванию еще достаточно прочного льда и усиливает воздействие ледяного покрова на сооружения. Затяжная весна способствует постепенному таянию ледяного покрова еще до вскрытия и спокойному ледоходу.
Подводя итог, можно заключить, что на территории России мы имеем возможность наблюдать: тяжелый ледоход — на реках Севера, в среднем и нижнем течении крупных рек Сибири; сильный — в верхнем течении крупных рек Сибири, на реках Урала и севера Европейской части России, слабый ледоход — на реках южной и западной части России [23]. 1.2. Ледовые затруднения в период ледохода.
Понимание физических процессов, происходящих в потоке, несущем ледовые включения, позволяет прогнозировать характер ледохода, его сроки и уровни воды, разрабатывать инженерные решения, позволяющие предотвращать паводки, вызванные ледовыми явлениями. Заторы льда, являясь основным негативным последствием ледохода, представляют собой скопление ледяного материала в русле реки, стесняющее живое сечение,
» вызывая тем самым подъем уровня воды, ведущий иногда к значительным
затоплениям территории. Нередко заторы образуются под действием увеличения расхода воды в половодье или паводков весной, в случае зимних оттепелей заторы могут образовываться и зимой. Для ряда рек также важен учет муссонных паводков, подчас кардинально меняющих рисунок русла.
Причиной возникновения заторов является иеодновременность вскрытия по длине реки и затруднения в транспортировке ледяного материала [14, 16]. Неодновременность вскрытия определяется различием в толщинах и прочности льда на разных участках реки. Затруднения в транспортировке льда связаны с морфометрическими условиями реки: резкий перелом продольного профиля, сужения, излучины, острова,
инженерные сооружения. Так же влияет на движение льда кромка ледяного
покрова, которая остановилось и закупорила проход.
10 Таким образом, к числу основных факторов, от которых зависят образование и мощность затора, относятся [36]: морфометрия русла, толщина, прочность и количество льда, интенсивность притока воды, скорость течения, температурные условия, выклинивания подпора. Неблагоприятное сочетание данных факторов ведет к возникновению угрозы наводнения или необратимых деформаций инженерных сооружений.
Сочетание этих факторов, роль превалирующих меняется не только от
места к месту, но и в разные годы, создают большой элемент случайности в
распространении заторов по территории страны. Однако можно выделить
места, где они образуются почти ежегодно с той или иной степенью
мощности. Заторы весной нередко образуются там, где были зажоры при
осеннем замерзании. За зиму шуга уплотняется, смерзаясь со льдом,
приобретает большую прочность и является очагом образования заторов
весной либо создает аварийные нагрузки на расположенные ниже по течению
гидроузлы, что представляет особую опасность для подвижных частей
гидроузлов (затворы, решетки, элементы шлюзов и другие) [42, 51].
f Осенний ледоход связан с движением в потоке внутриводного льда,
шуги и обломков заберегов, характерным для предледоставного периода зимнего режима природного водотока. Речной лед в первую очередь движется течением воды [39].
Во время периода формирования шуги прежде, чем сформируется
стационарный покров, частницы внутриводного льда ведут себя скорее как
тонкие взвеси, способные к всплытию [3]. Таким образом, движение
внутриводного льда противоположно переносу взвесей, оседающих на
внутренней стороне поворотов. То же самое течение приводит к накоплению
частиц шуги на внешней стороне поворотов. Подобным же образом шуга
всплывает вверх в районах медленного течения. Когда частицы шуги и
обломки льда пересыщают сечение водотока и течение замедляется, поток
воды часто вырабатывает каналы в массе льда, которые могут меандрировать от берега до берега, даже если первоначальное русло прямое.
Поверхностный сток льда характеризуется тремя стадиями этого процесса: простое сплавление льдин и шутовых комьев без существенного взаимодействия между ними, начальное сталкивание со значительным взаимодействием льдин, недостаточным, однако, для противостояния трению воды снизу, и конечный ледостав, когда силы взаимодействия льдин достаточны для перекрытия потока и сопротивления его трению на нижней поверхности [1,2],
Теплообмен реки с атмосферой имеет решающее значение для образования льдин: температура воды обладает весьма незначительной инерцией и живо реагирует на изменение температуры воздуха. Известно условие появление сала при осеннем шугоходе
к{1к-(0)/к<С7ш, (1.1)
где к - коэффициент турбулентного перемешивания у поверхности воды, //г частное - температурный градиент между поверхностью и глубиной, ай> - теплоотдача воды в атмосферу при t0 ниже нуля.
Осенний ледоход составляют льдины, движущиеся транзитом и только что образовавшиеся льдины. Транзитные льдины значительно (на порядок) превосходят по размеру местные (с размером 1...3 см). Плотность ледохода определяется планом течений: ледоход то разрежается, то становится интенсивнее. Когда общая плотность ледохода становится высокой, в местах сужений русла или на перекатах возникает затор, который является (по Г.Р. Бергману) очагом формирования ледостава, и в этом смысле играет положительную роль. Между соседними заторами возможно кратковременное существование полыньи с плывущими льдинами. Размер полыньи определяют по формуле
ln„-l^-{n-p))-ummMljh-pl (1-2)
где L - расстояние между заторами, п и п\ проценты покрытия
льдинами полыньи между нижним - верхним заторами и выше верхнего, Довременной интервал между образованием нижнего и верхнего заторов, р -относительная плотность иижиего затора.
В связи с этим (не равномерной продольной и поперечной толщиной установившегося ледяного покрова, которая в последствии, впрочем, несколько сравнивается), и при весеннем ледоходе толщина льдин различна.
Осенние заторные наводнения крайне редки, а потому представляют значительно меньший интерес, чем весенние.
Весеннему ледоходу предшествует подготовительный период, во время которого происходит интенсивный приток талых вод в речные русла, таяние и ослабление ледяного покрова. Расход воды в реках увеличивается, уровни воды повышаются, прочность и толщина ледяного покрова уменьшаются, у берегов образуются закраины [23].
На определенной стадии развития весенних процессов, когда река
подготовлена к ледоходу лишь на отдельных участках, происходят подвижки
льда. Последние захватывают, прежде всего, верхнее течение реки, где после
подвижек и первоначального развития процесса вскрытия образуется
свободный ото льда участок, ниже которого сохраняется ледостав. На
границе между вскрывшимися и невскрывшимися участками, по существу,
* образуется слабовыраженный затор, а выше последнего происходит
некоторое накопление речных вод.
По мере дальнейшего развития весенних процессов приток талых вод в русло увеличивается, расходы (уровни) воды продолжают расти, накопление воды выше кромки льда продолжается, ледяной покров еще больше ослабевает, происходят подвижки льда в некоторых местах ниже кромки. Создаются предпосылки для развития процесса вскрытия ниже по течению [24].
Обычное развитие процесса вскрытия характеризуется всплыванием ледяного покрова на некотором участке ниже кромки, после чего лед приходит в движение и начинает перемещаться всей массой одновременно на некотором протяжении реки (начинается интенсивный ледоход). В начале своего движения крупные ледяные поля разрушаются на части, по реке
сплошной массой двигаются льдины. Так последовательно развивается ледоходный процесс по длине реки.
Анализ натурных данных о развитии вскрытия, например, на сибирских реках [45, 47, 48] показывает, что распространение весеннего ледохода связано с перемещением вниз по течению волны весеннего половодья. Собственно весенний ледоход начинается до наступления наивысшего уровня вскрытия, и после начала ледохода некоторое время подъем уровня воды продолжается.
Подъем уровня воды происходит в результате развития вскрытия на вышележащем участке. Вскрытию сопутствует прохождение волны. Волна постепенно усиливается по мере продвижения ее вниз по течению, причем она следует непосредственно за фронтом вскрытия. Таким образом, главной причиной вскрытия является механическое воздействие речного потока -указанной выше волны - на ледяной покров.
В результате гидродинамического воздействия волны половодья вначале всплывает ледяной покров на некотором участке ниже кромки. После этого всплывший лед приходит в движение и начинает перемещаться всей массой почти одновременно на некотором участке реки. Вследствие взаимных столкновений при начавшемся движении крупные ледяные поля существуют недолго и очень быстро разрушаются. Наиболее интенсивное прохождение ледохода обычно совпадает по времени с прохождением вершины отмеченной выше волны [24, 54].
Следует отметить, что ниже впадения крупных притоков или в случае существенного различия гидравлических и морфометрических характеристик на отдельных участках реки вскрытие может происходить с перерывами. В этом случае интенсивность ледохода ослабевает, ледоход проходит несколькими волнами; процесс сплавления льда вниз по течению реки протекает более спокойно, как правило, без образования мощных заторов.
Таким образом, весеннему ледоходу предшествует разрушение ледяного покрова. Пронесе разрушения длительный, и для исследования сложный, поскольку определяется одновременно двумя группами факторов: термическими (солнечная радиация, температура воздуха) и динамическими. Различие их отношений обусловливается метеорологической и гидрологической обстановкой, типом русла (географией района), стадией разрушения ледяного покрова. По Г.Р. Брегману сначала происходит таяние снега па льду, затем таяние льда, повышается уровень в реке с деформацией ледяного покрова, происходит подвижка льда и, наконец, происходит вскрытие. В литературе отмечается, что вскрытие может происходить и без ледохода (если не подошла волна половодья). Различные отношения термических и динамических факторов приводят к различным последствиям ледохода.
В Восточно-европейской части и на юге РФ преобладает первая группа факторов, поэтому наводнения из-за заторо образования при ледоходах не всегда катастрофичны, как это имело бы место в Азиатской части (где преобладает вторая группа факторов), если бы населенность была выше, а производства и инфраструктура были бы более развиты. В первом случае вскрытие происходит при подъеме уровня только на 10-20 %, во втором - на 60-70 %; к тому же продолжительность ледохода в первом случае 10-20 дней, т.е. растянута, во втором - 4-6 дней.
Весенний ледоход характеризуется интенсивностью повышения уровня воды, направлением течения, конфигурацией дна и берегов.
Когда движущиеся льдины сталкиваются с неподвижными, или происходит сужение русла (ширины или глубины), льдины нагромождаются друг на друга, проседают, забивают свободное живое сечение, образуя затор. Уровень воды выше затора резко поднимается, и если пойма низкая, то она оказывается затопленной.
На реках, имеющих северное направление течения, сильно изогнутое или перекатистое русло, заторы - нередкое явление. Но и на реках, текущих в
15 южном или широтном направлении, тем более, при наличии сужений, заторы могут создать немало проблем.
Ледовые затруднения, такие как заторы, определяются главным образом плотностью ледохода. В работе [47] приводятся результаты натурных наблюдений ледоходов на реках Сибири; они показали, что наибольшая плотность находится в пределах р = 0,7,..0,85, Однако при движении льда кинетическая энергия ледохода частично расходуется на взаимодействие с берегами, поэтому плотность в основной части потока снижается до р = 0,6.
Иногда плотность ледохода достигает и больших значений - 0,9... 1,0 [48], при превышении которых возникают ледовые затруднения. При такой плотности размер льдин весьма значителен b\lb ~ /15... /25 (ширина льда к ширине потока). То, что плотность ледохода часто бывает высокой, говорит следующее: в период ледохода расход воды в водотоке значительно ниже, чем, например, расход паводка, т.е. пропускная способность водотока ниже.
1.3. Ледоход на реках Дальнего Востока
Освещение особенностей весеннего ледохода в данном случае проведем на примере р. Амур, обладающей значительным водосбором, расположенным в районах с различными климатическими условиями.
С точки зрения весеннего ледохода бассейн реки может быть разделен на две зоны: верхнюю, характеризующуюся относительно суровой зимой, достаточной толщиной льда, взламываемого весной проходящим паводком; и нижнюю с более короткой и мягкой зимой, тонким и относительно слабым льдом. Значительно влияние теплых притоков Уссури и Сунгари, несущих теплую (температура выше на 3-5 градусов) воду с территории Китая.
Более короткая и теплая зима приводит к тому, что ледяной покров имеет меньшую толщину, которая к периоду весеннего ледохода заметно снижается (на 50—30%) за счет процессов весеннего таяния.
Прочность весеннего льда в южных участках реки к периоду ледохода также сильно падает за счет ослабления связи между отдельными
16 кристаллами. Дополнительно ослаблен ледяной покров правого берега, куда приходят водные массы теплых притоков. Прочность льда в расположенных севернее верховьях рек относительно высока, что обусловливает образование льдин больших размеров, чем в низовьях [51, 73].
Вскрытие в нижнем течении реки происходит весьма бурно, путем отрывания льда на участке реки длиной 50—100 км, плывущего затем вниз по течению.
Вскрытие реки сопровождается ледоходом большей силы и частыми заторами, появляющимися чаще всего при затяжной весне с перемежающимися похолоданиями в зоне подпора инженерных сооружений (мостовой переход).
1.4. Ледовый режим многорукавного русла. Учитывая, что основную роль в возникновении негативных ледовых явлений на р. Амур в районе г. Хабаровска играют возникающие перед мостовым переходом заторы льда, целесообразно рассмотреть их подробнее.
Значительный зимний сток, многорукавность русла, низкие зимние температуры с конца ноября до середины марта обуславливают своеобразие ледового режима р. Амур в его среднем и шгжних течениях. Лед играет большую роль в разрушении берегов, переносе крупного обломочного материала, размыве дна и перераспределении стока между рукавами. Однако особенности ледовых явлений, а также их изменений при деформировании многорукавных русел изучены еще явно недостаточно [73].
От с. Черняево до устья р. Амур образует огромную дугу, выпуклую к югу и протягивающуюся почти на 2500 км. Самая южная часть реки расположена примерно на ее середине, выше места впадения р. Сунгари. Однако средняя дата ледостава здесь наступает раньше, чем ниже по течению. Так, если у с. Черняево река становиться 8 ноября, у с. Екатерино-Никольское 18 ноября, у г. Хабаровска 23 ноября, у г. Комсомольска-на-Амуре 20 ноября и у г. Николаевска-на-Амуре 13 ноября. Таким образом, наиболее поздняя дата ледостава отмечается на участке, расположенном 300-
17 350 км ниже по течению от самой южной точки амура. Существенную роль в этом играет сток самого крупного притока Амура - р. Сунгари, несущего относительно теплые воды из южной части бассейна. Аналогичны показатели для продолжительности ледостава: от 175 суток у с. Черняево до 151 суток у г. Хабаровска и 187 суток в низовьях Амура.
Наблюдения за ледовым режимом проводились ВНИИГ им Веденеева (СПб) в течении 1996-2004гг. в районе Хабаровского водного узла. На этом участке р. Амур в последние годы происходит интенсивное перераспределение основного стока реки в протоку Пензенскую. В последние три года зинний сток в ней превышает сток главного русла в 2-3 раза. В январе-марте в главном русле лед почти по всей ширине реки лежит на донном грунте. Если в 2001г. полынья в течении всей зимы располагалась вдоль главного русла реки, то сейчас она протягивается непрерывной полосой длиной около 3 км и шириной 150-200 м в исток протоки Пензенской.
Образующиеся в полынье крупные пластины льда (сало) толщиной 2-3 мм и размеров до 10 см накапливаются подо льдом ниже по течению, существенно сокращая площадь живого сечения русла. В марте 2003г. площадь живого сечения протоки составила 1430 м . Из них 815 м (57%) было заполнено плотно прилегающими пластинами льда вдоль правого берега на всю глубину от нижней кромки льда до дна (5-6 м). В 15 км ниже по течению подо льдом толщина слоя сала местами достигала 2,0 м.
Сокращение площади живого сечения русла приводит к увеличению скоростей течения и размыву дна реки Скорость течения в зимнюю межень в протоке Пемзенской достигала 1,1 м/с. В этих условия в истоке протоки левый берег протяженностью около 1 км начал подергаться интенсивному размыву. Только за январь 2004г. произошло отступание кромки берега на 10-15 м. При промерзании грунта на 1,8-2,0 м, высоте береговых обрывов 5-6 м и глубине реки 7-8 м происходит обваливание блоков шириной 2-3 м и длиной до 8 м. Осенний и весенний ледоход на таких участках реки
18 производит значительную работу по разрушению берега (до 15 м за несколько дней).
Перераспределение стока р. Амур в протоку Пемзенскую привело к тому, что в основном русле Амура у г. Хабаровска ледостав устанавливается на 10-14 дней раньше, а вскрытие происходит на 3-4 дня позже, чем в протоке. Это оказывает негативное влияние на условия хозяйственной деятельности в прилегающей к городу части реки.
Характерной особенностью льда р. Амур является большое количество включений в него терригениого материала. Песчаные и гравийные частицы попадают в лед в процессе ветрового переноса. На перекатах и мелководных участках грунт вмораживается в лед, особенно при сильном торошении, и переноситься на большие расстояния. Особенно насыщенный терригенным материалом лед наблюдается ниже ухвостьев островов, осередков и подводных кос.
Таким образом, ледовый режим на многорукавных участках рек играет
существенную руслоформирующую роль. На Амуре он обуславливает
і перераспределение стока между рукавами и активную эрозионную
деятельность в период зимней межени.
1.5. Заторные явлении па иезарегулированных участках рек.
В период ледохода частой является ситуация, при которой голова
затора сформировалась как следствие наличия в потоке инженерного
сооружения, преграждающего путь ледовым полям, но не влияющего на
уклон и параметры потока. Наиболее распространенное подобное
сооружение - мост транспортного назначения с опорами, погруженными в
поток. В начальной стадии осеннего (редкого) ледохода, когда влекомые
потоком сало и шуга имеют невысокую прочность, мостовой переход не
« создает особых помех. Но по мере увеличения объема ледовой массы в
поперечном сечении потока опоры моста способствуют все более интенсивному накоплению около себя уплотненного льда, что в итоге
19 приводит к возникновению зажора (затора). Весной опоры моста становятся очагами возникновения заторов по описанной выше схеме, так как при интенсивном ледоходе являются преградами для крупных ледяных полей, а при редком ледоходе способствуют возникновению очагов заторообразования. Недостаточно изученным является вопрос снижения вероятности возникновения подобных ледоввіх затруднений и уменьшения тяжести их последствий. В подавляющем большинстве случаев изменение параметров и конструкции моста невозможно и с заторами (зажорами) льда в период ледохода борются подрывами и бомбардировкой льда, специализированными попусками воды из гидроузлов и другими методами. Представляется необходимым более подробно рассмотреть механизм заторообразования и условия образования заторов и зажоров.
Специалистами из лаборатории Армии США (Вест-Пойнт) по исследованию районов с суровым климатом на основании собственных данных были выделены следующие характерные особенности, способствующие образованию затора в период ледохода на реках:
створ расположен в горах, где притоки реки имеют большие уклоны, что приводит к резкому увеличению пропускаемого расхода воды и льда;
створ находится вблизи океана, в районе с морским нестабильным климатом;
дно шероховатое, покрыто выступами и валунами, что свойственно горным рекам;
на дне и пойме имеется развитая растительность;
в результате постройки сооружений ширина русла стала меньше, особенно по сравнению с шириной в паводок;
относительно тонкий ледяной покров рано разрушается, при ограниченной ширине русла это создает заторы;
река неглубокая, что резко увеличивает риск заторов;
резкий переход к малым уклонам вследствие подпора является, вероятно, основной причиной возникновения головы затора.
* Подобного типа классификация заторов, вызванных совпадением
ледохода на главной реке и ее притоках, была отмечена отечественными исследователями (ИВП РАН, ГГИ) на р. Свирь и р. Неман [23].
Фронт весеннего потепления продвигается сверху вниз по реке. При этом сверху вниз перемещается и волна половодья, а вместе с ней и вскрытие реки. Такой порядок развития весенних процессов наблюдается на реках или на их участках, где течение направлено с юга на север. В этих условиях формируются тяжелые заторы льда с большим скоплением ледяных масс и со значительными подъемами уровней воды, навалами льда на берега и прочее.
Для рек, при вскрытии которых значительную роль играет боковой
приток теплых водных масс (р. Амур - классический пример такой реки,
притоки, текущие с юга, ощутимо теплее), возможно возникновение сложных
, многоочаговых схем формирования ледохода. Значительная разница в
толщине ледяного покрова может создаться в результате смерзания в общий ледяной покров зажорных скоплений льда или заторных нагромождений, образовавшихся во время зимних оттепелей.
Заторы льда вызванные остановкой движущегося при ледоходе
ледяного поля, возникают преимущественно на участках сложного
очертания, неудобных для движения крупных ледяных полей. Поле,
подошедшее к такому участку, останавливается и заклинивается между
берегами или опорами моста. Образовавшаяся таким образом перемычка из
заклинившейся льдины большой площади может задержать плывущий по
реке лед и служить очагом для формирования головы затора.
« В узких и на сильно искривленных участках реки затор может
удерживаться и боковым распором битого льда.
Выше говорилось, что заторы льда возникают на реках, вскрытие которых происходит преимущественно под воздействием волны половодий и паводков. Происходит это там, где ледяной покров к началу увеличения расхода воды в реке сохраняет достаточную прочность и не утрачивает способности сопротивляться механическим воздействиям.
Подъем уровня воды в реке вызывает деформации ледяного покрова, появление в нем напряжений и при достаточной интенсивности нарастания уровней приводит к разрушению покрова. Появление разрушающих напряжений в ледяном покрове возможно только при скорости повышения уровня, превышающей скорость релаксации ледяного покрова.
В силу своей эластичности ледяной покров обычно не разрушается при медленном повышении уровня в реке, а лишь выпучивается вверх. По его краям при этом образуются закраины, ширина которых при прекращении увеличения расхода воды в реке постепенно уменьшается.
При малой ширине речного участка ледяной покров, сохранивший достаточную прочность и толщину, может разрушиться и при значительной скорости нарастания уровня воды. В названных условиях возникшие в нем напряжения даже при полном затоплении ледяного покрова могут не достичь разрушающих значений.
Деформации ледяного покрова при повышении уровня воды в реке рассмотрены с целым рядом упрощений в работе К. И. Российского (I960), Согласно выводам этой работы ширина реки или отдельных ее протоков, при которой лед не ломается при любой интенсивности прироста уровней, определяется следующим неравенством
>«Р^ (1.3)
где и - временное сопротивление ледяного поля, /?-его толщина, ра И /V плотности воды и льда.
Данное соотношение показывает, при малой ширине речного участка или местах разветвления русла на ряд узких рукавов ледяной покров, имея
22 малый пролет между линиями примерзания к берегам, лучше сопротивляется разрушению и может быть сломан лишь при меньшей прочности льда, чем на широких участках реки
Формирование ледяных заторов происходит следующим образом. Сплывающий по реке лед, встретив кромку сохранившегося ледяного покрова или остановившегося поля - очаг затора, задерживается перед ней и под действием течения реки начинает тороситься, наползая на поверхность неподвижной ледяной перемычки и, при скоростях течения, превышающих 0,7м/с, подныривать под нее. Так образуется скопление ломанного льда -голова затора. На крупных реках при значительных скоростях течения воды мощность ледяных скоплений в голове затора достигает 3 и более метров. Скопление льда по мере подхода льдин распространяется вверх по течению. Так как битый лед, имеющий коэффициент шероховатости порядка 0,09, создает повышенное сопротивление течению воды, то в пределах заторного скопления устанавливается крутой уклон водной поверхности. Крутизна уклона зависит от величины предзаторного расхода в реке, глубины русла, бытового уклона и шероховатости льда.
Наблюдения показывают, что уклон в заторных скоплениях льда достигает 0,0005-0,0016 и превышает бытовой уклон в 3-10 раз. Вследствие подпора, образуемого головой затора, скорость течения по реке уменьшается, приплывающие льдины перестают подныривать под скопившийся лед и собираются перед головой затора в один слой - это хвостовой участок затора.
Итак, затор состоит из ледяного поля - очага затора, удерживающего приплывший сверху лед, многослойного беспорядочного скопления битого льда, хвостовой части затора, где льдины удерживаются в один слой без значительного торошения [23]. Под очагом затора уклон реки остается бытовым. В пределах скопившихся в заторе масс битого льда уклон увеличивается и превышает бытовой в некоторых случаях в 10 раз.
Если подпор, вызванный затором, превышает высоту речной поймы, то в хвостовой части затора наблюдается уклон, равный уклону поймы,
23 который равен обычно бытовому уклону реки. Выше заторного скопления льда устанавливается кривая подпора, сопрягающая подпертый затором участок реки с ее бытовым уровнем.
Подпор воды, создаваемый на реке затором льда, приводит к накоплению воды выше затора и, соответственно, к частичному или полному прекращению прибыли воды ниже затора. Если в период формирования затора выше по реке наблюдаются резкие подъемы уровня, нередко приводящие к наводнениям, то ниже затора на реке, как правило, имеет место стабилизация уровня или даже его понижение.
Такое положение наблюдается только, пока формируется затор. После того, как формирование затора и накопление воды выше него закончится, и продольный профиль рек приобретет характерный заторный характер, расходы воды через заторный участок начинают увеличиваться. Вместе с увеличением расходов ниже затора растут и уровни воды, причем интенсивность роста постепенно увеличивается, что приводит к поломке ледовой перемычки, удерживающей скопление льда, происходит прорыв затора, сопровождающийся резким повышением уровня воды ниже по реке.
Относительно широко распространены заторы при задержке вскрытия на отдельных участках реки. Запаздывание вскрытия может быть обусловлено строением русла, гидравликой потока или ледовыми условиями - факторами, в той или иной степени взаимосвязанными. Характерными в рассматриваемом отношении являются места резкого перелома генерального профиля (с уменьшением уклонов и скоростей течения), бифуркации русла и прочее. Подобные запоры наблюдаются на многих реках Сибири, Среднего Поволжья, Карпат. Нередко причиной образования заторов является задержка вскрытия на плесах. Такие заторы характерны для рек, текущих на север, но могут наблюдаться и на реках иного направления течения. Причиной затороопасной задержки вскрытия может явиться более прочный и толстый лед на участках : 1) осенне-зимних зажоров на шугоносных реках, включая районы с относительно холодными зимами, например реки Северо-
24 востока страны, 2) образование крупных наледей, что наблюдалось на реках Севера, 3) неполного зимнего вскрытия с торошением льда в районах с неустойчивыми зимами, как, например, на Днестре и Днепре, на p.p. Израиль и Уайт-Ривер (США), некоторых реках Карпат.
Территориальное распространение заторов льда характеризуется повышенной заторностью рек севера страны. Большая повторяемость заторов льда (70-100%), высокие заторные уровни (до 25 м) и подъемы (до б м) наблюдаются на реках Сибири и Дальнего Востока из-за интенсивных паводков.
Выводы по главе 1:
По итогам анализа процесса ледохода как в целом для
произвольного водотока, так и для р. Амур, отмечено, что
ледовые затруднения, такие как заторы, определяются
главным образом плотностью ледохода. Весенний ледоход
характеризуется интенсивностью повышения уровня воды,
направлением течения, конфигурацией дна и берегов. Когда
движущиеся льдины сталкиваются с неподвижными, или
происходит сужение русла (ширины или глубины), льдины
нагромождаются друг на друга, проседают, забивают
свободное живое сечение, образуя затор. Уровень воды выше
затора резко поднимается, и если пойма низкая, то она
оказывается затопленной.
Анализ редкого ледохода показывает, что скорость роста
заторного уровня при ледоходе обратно пропорциональна
толщине льда. Это можно объяснить тем, что, во-первых,
более тонкий лед быстрее разрушается, во-вторых, голова
затора перемещается быстрее по тонкому льду. Это
согласуется с представлением о природе торошения, так как
25 после выноса отколовшейся льдины на поверхность еще не разрушенного льда участок с повышенным сопротивлением увеличивается, градиент расхода растет, а следовательно увеличивается скорость роста уровня dz/dt.
Очевидно, что величина скорости роста заторного уровня должна быть в прямой зависимости от расхода в месте возникновения затора и в обратной - от ширины русла, то есть UB=Q/hB.
После окончания формирования затора образовавшееся скопление льда и воды по мере прибыли половодья съезжает вниз по водотоку к более широким и глубоким участкам. При этом профиль постепенно оседает и распластывается, пока лед не растает под действием инсоляции и отепляющего действия воды. Если сформировавшийся затор, продвигающийся вниз по водотоку, встречает на пути инженерное сооружение, пересекающее поток, то происходит его остановка. Учитывая, что мосты обычно возводятся в створах локального сужения реки, это приводит к дополнительной консолидации ледовых фрагментов, формирующих затор, что провоцирует резкое увеличение скорости роста заторного уровня.
Заторные явления на незарегулированиых участках рек
В период ледохода частой является ситуация, при которой голова затора сформировалась как следствие наличия в потоке инженерного сооружения, преграждающего путь ледовым полям, но не влияющего на уклон и параметры потока. Наиболее распространенное подобное сооружение - мост транспортного назначения с опорами, погруженными в поток. В начальной стадии осеннего (редкого) ледохода, когда влекомые потоком сало и шуга имеют невысокую прочность, мостовой переход не « создает особых помех. Но по мере увеличения объема ледовой массы в поперечном сечении потока опоры моста способствуют все более интенсивному накоплению около себя уплотненного льда, что в итоге приводит к возникновению зажора (затора). Весной опоры моста становятся очагами возникновения заторов по описанной выше схеме, так как при интенсивном ледоходе являются преградами для крупных ледяных полей, а при редком ледоходе способствуют возникновению очагов заторообразования. Недостаточно изученным является вопрос снижения вероятности возникновения подобных ледоввіх затруднений и уменьшения тяжести их последствий. В подавляющем большинстве случаев изменение параметров и конструкции моста невозможно и с заторами (зажорами) льда в период ледохода борются подрывами и бомбардировкой льда, специализированными попусками воды из гидроузлов и другими методами. Представляется необходимым более подробно рассмотреть механизм заторообразования и условия образования заторов и зажоров. Специалистами из лаборатории Армии США (Вест-Пойнт) по исследованию районов с суровым климатом на основании собственных данных были выделены следующие характерные особенности, способствующие образованию затора в период ледохода на реках: створ расположен в горах, где притоки реки имеют большие уклоны, что приводит к резкому увеличению пропускаемого расхода воды и льда; створ находится вблизи океана, в районе с морским нестабильным климатом; дно шероховатое, покрыто выступами и валунами, что свойственно горным рекам; на дне и пойме имеется развитая растительность; в результате постройки сооружений ширина русла стала меньше, особенно по сравнению с шириной в паводок; относительно тонкий ледяной покров рано разрушается, при ограниченной ширине русла это создает заторы; река неглубокая, что резко увеличивает риск заторов; резкий переход к малым уклонам вследствие подпора является, вероятно, основной причиной возникновения головы затора. Подобного типа классификация заторов, вызванных совпадением ледохода на главной реке и ее притоках, была отмечена отечественными исследователями (ИВП РАН, ГГИ) на р. Свирь и р. Неман [23]. Фронт весеннего потепления продвигается сверху вниз по реке. При этом сверху вниз перемещается и волна половодья, а вместе с ней и вскрытие реки. Такой порядок развития весенних процессов наблюдается на реках или на их участках, где течение направлено с юга на север. В этих условиях формируются тяжелые заторы льда с большим скоплением ледяных масс и со значительными подъемами уровней воды, навалами льда на берега и прочее. Для рек, при вскрытии которых значительную роль играет боковой приток теплых водных масс (р. Амур - классический пример такой реки, притоки, текущие с юга, ощутимо теплее), возможно возникновение сложных , многоочаговых схем формирования ледохода. Значительная разница в толщине ледяного покрова может создаться в результате смерзания в общий ледяной покров зажорных скоплений льда или заторных нагромождений, образовавшихся во время зимних оттепелей. Заторы льда вызванные остановкой движущегося при ледоходе ледяного поля, возникают преимущественно на участках сложного очертания, неудобных для движения крупных ледяных полей. Поле, подошедшее к такому участку, останавливается и заклинивается между берегами или опорами моста. Образовавшаяся таким образом перемычка из заклинившейся льдины большой площади может задержать плывущий по реке лед и служить очагом для формирования головы затора. « В узких и на сильно искривленных участках реки затор может удерживаться и боковым распором битого льда. Выше говорилось, что заторы льда возникают на реках, вскрытие которых происходит преимущественно под воздействием волны половодий и паводков. Происходит это там, где ледяной покров к началу увеличения расхода воды в реке сохраняет достаточную прочность и не утрачивает способности сопротивляться механическим воздействиям. Подъем уровня воды в реке вызывает деформации ледяного покрова, появление в нем напряжений и при достаточной интенсивности нарастания уровней приводит к разрушению покрова. Появление разрушающих напряжений в ледяном покрове возможно только при скорости повышения уровня, превышающей скорость релаксации ледяного покрова.
В силу своей эластичности ледяной покров обычно не разрушается при медленном повышении уровня в реке, а лишь выпучивается вверх. По его краям при этом образуются закраины, ширина которых при прекращении увеличения расхода воды в реке постепенно уменьшается.
При малой ширине речного участка ледяной покров, сохранивший достаточную прочность и толщину, может разрушиться и при значительной скорости нарастания уровня воды. В названных условиях возникшие в нем напряжения даже при полном затоплении ледяного покрова могут не достичь разрушающих значений.
Деформации ледяного покрова при повышении уровня воды в реке рассмотрены с целым рядом упрощений в работе К. И. Российского (I960), Согласно выводам этой работы ширина реки или отдельных ее протоков, при которой лед не ломается при любой интенсивности прироста уровней, определяется следующим неравенством
Метод борьбы с заторообразованием разломом льдин на «затопленном ледобое».
В серии опытов как на модели участка канала, так и в экспериментах в волновом лотке, в качестве имитатора ледяного покрова использовался пенопласт. Плиты пенопласта размерами от 20 до 80см прямоугольной формы и толщиной ]см соединялись проволочными скобами. Для создания сплошного покрова и увеличения веса системы, плиты пенопласта покрывались брезентом. Общая длина подвижной пенопластной системы, закрепленной в начале модели, составляла 8,5м. При этом перепад уровней на участке с ледяным покровом и на открытом участке отвечал соотношению для зимних и летних расходов воды, равному в среднем 0;63. При проигрывании ситуации подвижки ледяного поля за счет резкого уменьшения сопротивления потоку задерживаемый неподвижным ледяным покровом объем воды, формировался в положительную нисходящую волну перемещения. Колебания уровней воды измерялись при помощи трех емкостных датчиков, расположенных на расстоянии Зм. 9м и 20м от начала модели, В проведенных опытах средние параметры волн, образовавшихся при расходах воды на модели б л/с, имели следующие значения: в начальный момент движения льда-имитатора в створе- 9м - длину волны /1=4.1 Ом и понижение уровня воды Ah 1,80см; в створе 20м - Я=5,50м и/№=1,70см.
Еще один пример лабораторных исследований волновых процесссов в замерзающих водотоках изложен в работах В.В.Баронина [35] и связан с применением других материалов, имитирующих ледяной покров. Экспериментальной основой модельных исследований В.В.Баронина, стали результаты лабораторных опытов на физической модели в гидротехнической лаборатории ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова. Экспериментальное изучение движения волны попуска в текущей воде в прямоугольном русле проводилось применительно к решению общей задачи без привязки к конкретным условиям или сооружениям. Движение волны, которую можно классифицировать как кратковременную, изучалось для двух характерных случаев: потоков со свободной поверхностью и при имитирующих лед покрытиях на поверхности при различной протяженности майны между створом поступления дополнительного расхода и кромкой покрова, а также различных глубинах, расходах потока в лотке и средних объемах попуска.
Опыты проводились в прямоугольном лотке 15,2м длиной и 42см шириной. В начале лотка находилась емкость, вмещающая 350л воды. Дно емкости всегда было на одной отметке с поверхностью потока. Низовая стенка емкости представляла собой плоский затвор, время полного открытия которого равнялось 0,5с. Определенная опытным путем кривая связи между объемами воды в емкости и временем рабочего участка лотка составляла 12,5м. Уклон дна лотка -/=0,0001. Свободная поверхность воды во время опытов была практически горизонтальной для всех глубин от 10,8 до 31см при диапазоне расходов от 8,0 до 42,5 л/сек.
Покрытия, имитировавшие ледяной покров различной жесткости, были гибкими и жесткими. В качестве гибкого безмоментного покрытия, имитировавшего сплоченный битый или молодой тонкий лед, применялась связанная из тонких деревянных планок циновка. Длина покрытия равнялась 7,2 м (24-70 глубин потока) при ширине планки 15 мм и зазоре между ними 2-3 мм. Жесткое свободно плавающее покрытие изготавливалось из плотного пенопласта толщиной 5,5см и состояло из секций 150см длиной. Для придания продольной жесткости секции были связаны поперечными ребрами.
Выпуск воды из верхнего бьефа в нижний, движение выпущенного водного тела в нижнем бьефе и его характерные особенности определяются временными, геометрическими, расходными и кинематическими параметрами. Изучение параметров волны проводилось при помощи киносъемки. Дешифровка фильмов выполнялась с увеличением в 7-15 раз.
В исследованиях пропускной способности покрытых льдом каналов, проведенных в конце 80-х годов Г.С. Алтуниной, для моделирования льда использовался тяжелый, плотностью 0,92, пенопласт, причем сплошные ледяные поля моделировались пластинами пенопласта, а шуга -полиэтиленовой крошкой- При этом сознательно не учитывались изменения прочности ледовых полей и возможность смерзания шуги, что допустимо при создании гидродинамических моделей явлений.
В последнее десятилетие уделяется большое внимание изучению процесса заторообразоваиия [6, 23, 25, 26] в период ледохода в связи с тем, что ледяные заторы почти ежегодно вызывают наводнения на реках и в нижних бьефах ГЭС, а иногда разрушают гидротехнические сооружения и обуславливают затопление котлованов возводимых ГЭС.
Результаты исследований заторов периодически обобщаются [39, 20, 30, 33] и на этой основе разрабатываются противозаторные мероприятия для конкретных объектов. Однако, несмотря на определенные достижения в области, механизм заторообразования изучен пока недостаточено. Следует отметить, что многократные природные явления, включая заторы льда, трудно поддаются математическому моделированию, так как эти явления в своей сущности содержат элемент неопределенности. Попытки математического описания процесса заторо образования неоднократно предгфинимались многими исследователями, однако они мало пригодны для количественных расчетов, так как в предложенных уравнениях содержатся коэффициенты, численное значение которых получить невозможно или затруднительно.
Необходимо обратить внимание также на тот факт, что физическое моделирование заторно-зажорных явлений, выполняемое на гидравлических моделях, не дает количественных результатов, а отражает лишь качественную картину явления [76], Это объясняется тем обстоятельством, что, как говорилось выше, в настоящее время не известен материал, моделирующий характерные особенности льда. Применяемые в настоящее время для моделирования заторов заменители льда, такие, как гранулированный полиэтилен, керамзит, полистирол, а также парафин не позволяют учитывать и моделировать такое свойство льда, как потеря им прочности по мере повышения температуры. Также не моделируется свойство льда, имеющего отрицательную температуру - смерзание в воде
Несмотря на сложность процесса заторо образования многие закономерности уже выявлены на основании анализа и обобщения материалов многолетних систематических наблюдений и исследований на участках конкретных рек и водохранилищ. Иные закономерности установлены также на основании лабораторных и натурных экспериментов и в расчетно-теоретических проработках. Выявленные закономерности можно распространять в известной мере и на другие малоизученные реки и водохранилища с учетом их особенностей.
Описание условий создания модели и проведения лабораторных исследований
Ледоход на участке любой крупной реки сопровождается сложными физическими процессами, протекающими во времени и пространстве, теоретический расчет которых весьма затруднен. В период весеннего ледохода транспортное сооружение является преградой, для движущихся мало ослабленных и значительных по размеру ледовых полей, что приводит к скоплению ледовых масс в створе мостового перехода и способствует формированию заторов льда[69].
В ходе исследований, направленных на разработку инженерных сооружений, обеспечивающих уменьшение размеров и прочности ледовых полей в период редкого ледохода (затопленных ледобоев), возникла необходимость создать физическую модель, позволяющую в физике наблюдать процессы и явления, происходящие при работе затопленных ледобоев, обеспечивающих такой размер подходящих к преграде льдин, при котором они беспрепятственно проходят сквозь местное сужение русла, то есть в межопорные пролеты мостового перехода и (или) существенно теряют прочность- Известно, что в нижнем по течению граничном сечении моделируемого участка (или в его нижних сечениях) систематически возникают заторы и (или) зажоры, вызывающие значительные подъемы уровня воды в реке. Причиной моделируемых ледовых затруднений является инженерное сооружение транспортного назначения - мост. Суть проблемы состоит в подходе к препятствию (мосту) мало ослабленных, значительных по размеру ледяных полей, не проходящих в пролеты, скапливающихся у преграды (опоры моста) и формирующих затор, зажор. В качестве прототипа русловой модели рассматривается р. Амур в районе Хабаровской агломерации.
Основные задачи, поставленнвіе в процессе подготовки и выполнения физического эксперимента: Отработка технологии моделирования процессов ледохода при отсутствии криогенных и термобарических лотков и крупногабаритных морозильных камер. Выявление характера и профиля кривых подпора-спада, вызванных размещением в потоке затопленных ледобоев. Получение эпюр скоростей воды в потоке при различных условиях: отсутствии ЗЛБ; различных схемах их расстановки; при наличии и отсутствии ледохода. Наблюдение и анализ процессов разрушения ледовых полей на кривых подпора - спада над ЗЛБ. Выявление и исследование явлений и факторов, предсказать которые при прочих видах моделирования (математического) сложно. Задача дополнительно осложнялась недостаточной изученностью характера обтекания водой тел значительного размера, но не являющихся классическим водосливом, погруженных в медленно текущий поток и ограниченной применимостью в этом случае существующих расчетных формул, применяющихся для расчета различных водосливов (глава 2). В процессе создания модели ставилось целью изготовление русла в заданных масштабах, тарировка водосливов, определение погрешностей и дисперсий модельного эксперимента, отработка и дальнейшее использование технологии и инструментария моделирования льда, определение прочностных параметров модельных ледяных полей, составление таблиц скоростей и уровней воды при различных расходах воды и при наличии ледовых явлений, физическая оценка эффективности работы групп затопленных ледобоев в различных режимах работы модели, составление итоговых рекомендаций по их эффективному использованию. При выполнении модели необходимым являлось выполнение всех законов моделирования и условий масштабирования, изложенных в [76]. В данном случае необходимо выполнение условий подобия сил тяжести и сил вязкости. Принимая постоянной силу тяжести, имеем следующее выражение для масштаба скорости как основное условие подобия по числу Фруда VM/VH=(LM/LH) ", причем, как будет показано, модель выполнена с искажением масштаба где Yu/Yn - вертикальный масштаб модели. Масштаб расхода составит где Хм/Хн горизонтальный масштаб модели. Масштаб времени может быть определен Технической базой для. создаваемой физической модели участка равнинной реки послужила русловая площадка лаборатории кафедры Гидросооружений МГУПриродообустройства. Лотковый полигон имеет следующие характеристики: длина рабочего поля і 0 м, ширина рабочего поля 2,9 м, внутренняя высота стенок (глубина) лотка 0,6 м. Выход потока на площадку организован вдоль рабочего поля через отверстия диаметром 10 мм, снабженные экраном - гасителем. Водовыпускные отверстия полностью затоплены при любом рабочем режиме модели, вид на водовыпускные отверстия приведен на рис.3,1. Выпуск воды осуществляется в две условные нитки модели, имитирующие основное русло р.Амур и протоку Амурская. Общий вид гидравлической модели на стадии ее создания приведен на рис.3.2. Изменения отметок дна, свободной поверхности и местных скоростей проводились на тележке, передвигающейся на рельсах по боковым стенкам лотка. Для гашения волн, возникающих при выходе потока в обтюрирующее русло, применялись поверхностные плавающие успокоители потока, обеспечивающие невозмущенную поверхность ниже по течению (рис.3.3). Экспериментальный полигон, на котором проводились исследования, имел ряд несомненных достоинств: наличие песчаной засыпки из речного промытого песка различной крупности; отсутствие собственного уклона поверхности; возможность задания расхода в достаточном диапазоне значений. Вместе с тем, необходимо отметить и определенные сложности: размеры лотка априори вынуждали создавать модель со значительными искажениями, что требует весьма точно и корректно смоделировать участок русла, и. в то же время, допускало ведение работ но созданию модели в одиночку силами автора. Значительными проблемами при создании модели явились: загрязнение песчаного ложа фрагментами предыдущих моделей и общий износ лаборатории.
В лотке, заполненном однородным песком со средним диаметром частиц 0,4 мм, прокладывалось укрепленное цементно - песчаной стяжкой русло прямоугольного в плане участка реки Амур с длиной - 13,5 км, шириной - 7,5 км. На данной площади происходит слияния двух условных рукавов модели, имитурующих собственно р. Амур и крупнейшую протоку Амурская с расходом, соизмеримым и, иногда (в межень}, превышающим расходы основного русла. Кроме того, здесь же происходит ветвление реки, приводящее к формированию еще двух проток - Пемзенской и Бешеной. Последние берут свое начало и возвращаются в основное русло в пределах участка, верхней границей которого служит точка начала ветвления реки выше о. Кабельный, нижняя же расположена на 500 м ниже моста по течению. Минимальная глубина на моделируемом участке составляет 13 м в летнюю межень года 50 % обеспеченности, максимальная соответствует чрезвычайной паводковой ситуации и не принимается в рассмотрение как недопустимая с точки зрения возникновения ЧС.
Математическое основание модели и исходные данные
Очевидно, для корректного измерения результатов моделирования необходимо было искажение масштабов моделирования в соответствии с [76], При расчете геометрических и гидравлических параметров модельного русла выполнялось условие постоянства в натуре и на модели основных критериев моделирования русел. Как итоговые были приняты следующие характеристики: горизонтальный масштаб сгор =2500; вертикальный масштаб б ее/,=25; как следствие модель выполнена с искажением масштаба и коэффициент искажения составляет е=100. При принятых масштабах достигается удовлетворительное значение коэффициента Маннинга, (и 0,027) для речного русла, обеспечивается возможность измерения скоростей микровертушкой D=z=10 мм немецкого производства (табл.3.1.) и обычным шпитценмасштабом, обеспечиваются приемлемые для моделирования движения льда глубины. Средняя по потоку скорость движения воды определялась по критерию Фруда (Fr=03), получается равной 17 - 23 см/с при Re порядка 8050, что позволяет обойтись без создания искусственного уклона и принять его равным нулю, что вполне соответствует мировой практике моделирования равнинных рек на небольших русловых площадках.
Технически создание модели можно было разбить на следующие этапы: 1. Подготовка полигона, очистка его от бетонных и гравелистых компонентов, увлажнение пересохшего песка, равномерное распределение грунта по площадке. 2. Создание по исходным материалам и картам рабочей графической документации, необходимой для выноса на модель контуров оригинала. Используемая для создания контуров модели карта представлена на листе 3.1. приложения. 3. Разбивка на картах координатной сетки, предназначенной для выноса на натуру характерных точек с отметками. 4. Собственно формирование рельефа модели путем лепки его из увлажненного песка. 5. Создание из цементно-песчаной смеси и заполнителя (битый кирпич) подводящих каналов, размещение в них струенаправляющих обтюраторов; ниже участка по течению в лотке запроектирован и сооружен ковш - отстойник со встроенным водосливом Томсона и сетчатым уловителем песка. 6. Первый этап крепления песчаной модели с помощью наброски на рельеф специальной сухой смеси «Гидростоп» так, чтобы она покрывала модель слоем толщиной порядка 3 мм в сухом виде и последующее увлажнение смеси с помощью душевой установки с небольшой высоты незначительным расходом воды. Подобная схема обеспечивает выравнивание поверхности и повышает шероховатость ложа водотока, что необходимо для обеспечения удовлетворительного значения Fr. 7. Итоговое железнение рельефа модели в помощью водного раствора цемента М400 в несколько этапов. 8. Последующая доводка водонепроницаемости модели по технологии, описанной в п.п. 6,7. 9. Периодическая окраска технических участков модели эмалевой краской для предотвращения их разбухания и для снижения шероховатости вспомогательных элементов модели. 10. Рабочее обслуживание модели в ходе выполнения работ. Необходимо отметить, что вынесение на лоток картографической основы было осуществлено по координатно-точечной схеме с индиивидуальным позиционированием каждой точки модели: общее число точек 286, шаг проложеиия по катету координатного треугольника перемещения координатной рейки на модели 0;25м. Подобная технология позволила обойтись без трудоемкого создания шаблонов и получить достаточную для данного искажения масштабов точность. На натурном русле изменение рельефа русла и поймы крайне значительно. Размывы песчаных и супесчаных грунтов, слагающих ложе потока, происходят непрерывно, сопровождаясь транспортом наносов, руслопереформированием. При ледоходе также наблюдается изменение рисунка водотока. При создании данных геометрии водотоков сознательно игнорировалась шероховатость, вызванная присутствием в смоченном сечении растительности. Это оправдано тем, что значительные скорости течения и прохождения ледовых масс способны существенно изменять (уменьшать) шероховатость поймы за очень короткие промежутки времени и масштабом модели (горизонтальным). Увеличение шероховатости также возможно в сторону увеличения за довольно незначительный временной промежуток (2...4 месяца), что определяется сроком вегетации камыша, обильно произрастающего в пойме, то есть подобные изменения достаточны, чтобы говорить значительной коррекции картины. Многоуровневое бетонирование ложа модели разрешило проблемы с неизбежными на песчаных основаниях размывами и позволило ходить по понижениям рельефа модели, что необходимо для ее обслуживания. Измерение расходов осуществляется с помощью двух мерных водосливов, один из которых является штатным для лотковой русловой площадки, а второй установлен на выходе потока. Значения расходов принимаются как средние. Рабочий диапазон расходов модели укладывается в пределы измерений водосливов и лежит в интервале от 10 до 36 л/с, что соответствует колебаниям расходов на натуре от 3000 м7с до 18000 м7с. Модель мостового перехода располагалась в нижней по течению части модели и представляла собой деревянную конструкцию из шлифованной древесины. Погруженные в поток элементы модели моста покрыты алкидным лаком для снижения коэффициента трения и предотвращения деформаций под действием набухания (рис.3.6). Шаг опор модели моста выполнен в общем для всей модели горизонтальном масштабе сгор=2500 и составляет 55 мм (шаг опор натурного объекта 130 м), ширина опор по фронту потока принята равной 1 мм. В качестве материала, заменяющего лед на модели, использовался моделированный лед пониженной прочности, полученный путем замораживания в специальных лотках слабосоленой (1,5-2,5%) воды. Моделирование льда осуществлялось в морозильной камере на стальных лотках с композитным напылением с заданной температурой и толщиной (и, как следствие, прочностью). Температура в морозильной камере составляла 20...2ГС, температура воды колебалась от серии к серии в пределах 5...6С. Базовый химический состав воды для ледяных полей принимается неизменным, забор воды осуществляется непосредственно из бассейна лабораторной установки. Для лучшей наглядности осуществлялось введение в состав льда водорастворимого тонера (перманганат калия). Для снижения влияния на прочность льда растворенного в воде воздуха соленая и тонированная вода для создания льда отстаивалась в течение 5-7 дней. Внешний вид лотковой системы намораживания льда в процессе работы представлен на рис 3.7. Технические ресурсы морозильной камеры позволяли одновременно подавать на модель ледовые поля размером 0,6x0,5м в количестве 11 шт, что обеспечивает общую площадь ледового ковра порядка 3 м , которая позволяет моделировать относительно плотный (до 0,8) ледоход на весьма коротком, до 1,5 м длиной, участке модели. В целом же выполнялось моделирование относительно редкого, порядка 50 %-ой плотности ледохода, что позволяло выполнять измерения скоростей потока, не внося возмущений в движение ледовых полей.
