Введение к работе
альность работы'. При проектировании водохозяйственных, энергетических и мелиоративных объектов возникают проблемы, связанные с расчетами гидродинамической устойчивости каналов и транспорта наносов, а также с прогнозированием русловых деформаций как в самих водотоках, так и в бьефах гидротехнических сооружений ( ГТС).
В последнее десятилетие по плану ГКНТ выполнялись
прикладные исследования с целью совершенствования и развития методов расчета устойчивости каналов, прогнозирования общих русловых деформаций, повышения научной обоснованности и надежности расчетов, а следовательно, и надежности функционирования элементов ГТС. По результатам этих исследований разработаны практические рекомендации по гидравлическому расчету каналов и по прогнозированию общих русловых деформаций при стационарном и нестационарном течении водьії Отечественными и зарубежными учеными выполнено большое количество работ по изучению закономерностей формирования русел водотоков в связи с возведением на них комплексов ГТС и с хозяйственным использованием водных ресурсов. Несмотря на достигнутые успехи, современные методы расчетов устойчивости каналов и прогнозирования общих русловых деформаций еще далеки от совершенства.
Методы гидравлического расчета каналов разработаны, в основном, для осветленных потоков'. Они не учитывают влияния мутности потока и фракционного состава наносов на характеристики потока и русла'. Задача определения параметров гидродинамически устойчивого русла для мутных потоков актуальна еще и потому, что при орошении полей мутной водой урожайность в 1,5-2 раза выше, чем при орошении полей осветленной водой1. Кроме того, проектирование канала с учетом необходимости обеспечения транспорта наносов значительно повышает надежность функционирования водохозяйственных и других объектов (водохранилища, водозаборные сооружения, отстойники, перегораживающие сооружения, мосты и др'.).
Проблема комплексного использования водных ресурсов тесно связана с необходимостью предотвращения вредного разрушительного воздействия стихийных сил природы. Одно из таких природных явлений - водная эрозия русла, поэтому разработка методов прогнозирования русловых деформаций, а также инженерных мероприятий по предотвращению или ослаблению их представляет собой насущную задачу1. Существующие методы прогноза и практикуемые мероприятия не полностью учитывают ^направленность и закономерности развития русловых режимов в различных грунтовых условиях, обусловленных как факторами природной среды (гидрологические, геологические), так и составом элементов ГТС.
Указанные выше обстоятельства диктуют необходимость проведения комплексных исследований, направленных на совершенствование и разработку новых методов расчетов гидродинамической устойчивости каналов при транспортировании осветленных и взвесенесущих потоков и прогнозирования общих русловых деформаций с учетом наносного и гидравлического режима течения воды в водотоках.
Целью диссертации является разработка теоретических положений по вопросам транспорта наносов, гидродинамической устойчивости и эрозионно-аккумулятивных процессов открытых русел, проходящих в связных и несвязных грунтах, а также разработка методов расчета этих процессов. Достижение этой цели потребовало решения следующих основных задач:
совершенствование имеющихся и разработка новых методов гидравлического расчета водотоков в земляных руслах на основе учета факторов, обуславливающих их устойчивость (гидродинамических и грунтовых характеристик, мутности потока и фракционного состава наносов), а также эксплуатационных, экологических требований, ограничений и др.;
разработка математических моделей расчета общих русловых деформаций в связных и несвязных грунтах при стационарном и нестационарном течении воды, построение алгоритмов для решения инженерных задач;
создание взаимосвязанной методики решения комплекса гидравлических вопросов, возникающих при научном обосновании проектов водохозяйственных, энергетических и мелиоративных объектов;
разработка методов оценки надежности функционирования канала на этапе проектирования.
Решение перечисленных задач осуществлялось на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием системного подхода при анализе экспериментальных данных.
Защищаемые положения. На защиту выносятся:
научные основы и методы расчета гидродинамической устойчивости каналов с повышенной мутностью, учитывающие . направленность и закономерности развития русловых режимов в различных грунтовых и эксплуатационных условиях при стационарном расходе воды и при дискретном изменении его;
математические модели для расчета и прогноза общих русловых деформаций при установившемся и неустановившемся (в период половодья) течении воды в водотоках, при отсутствии и наличии сосредоточенного бокового притока, в бьефах гидротехнических сооружений, а также алгоритм решения указанных задач на ЭВМ;
методы расчета надежности функционирования канала.
Научная новизна заключается в том, что:
усовершенствованы существующие и предложены новые
зависимости для расчетов: неразмывающих скоростей в зем
ляных руслах, транспортирующей способности потока в от
ношении различных фракций наносов, расхода донных нано
сов и размеров гряд, плановой устойчивости русла и гид
равлических процессов на размываемых моделях, гидравли
ческих сопротивлений, распределения допускаемых каса
тельных напряжений по периметру призматического канала
в связных грунтах, плана течений на переходном участке
русла;
на базе данных, полученных в результате исследований, разработаны методы расчета гидродинамической устойчивости водотоков при стационарном, расходе воды, а также при
дискретном изменении его, учитывающие физико-механические свойства грунтов, мутность потока и фракционный состав наносов, направленность и закономерности развития русловых режимов, а также эксплуатационные условия;
построены физические схемы, на основе которых выведен комплекс выражений для описания динамики насыщения потока наносами в процессе размыва по длине водотока в связных и несвязных грунтах на прямолинейном и криволинейном участках и разработаны численные полуэмпирические модели расчета общих русловых деформаций при стационарном и нестационарном (в период половодья) течении воды в каналах при отсутствии и наличии сосредоточенного бокового притока, а также в бьефах гидроузлов;
разработаны методы расчета надежности функционирования канала при различных русловых режимах.
Практическая значимость работы. Разработанные мето
ды предназначены для использования их при проектировании,
строительстве и эксплуатации каналов, водохранилищ, от
стойников, а также для применения при разработке АСУ
комплексным использованием водных ресурсов.
Реализация результатов исследований'. Результаты работы использованы при научном обосновании и разработке:
проекта "Комплекс сооружений по понижению уровня воды Сарезского озера в Таджикской ССР";
проектных решений по сооружению и эксплуатации каналов Иртыш-Курган, Главный коллектор в Ираче;
проекта регулирования стока реки Оби;
ТЭО строительства магистральных коллекторов для отвода дренажных и сбросных вод в бассейне реки Амударьи на территории Узбекской ССР и Туркменской ССР,
а также для обоснования позиций советской делегации при выработке решений, относящихся к водным объектам, на советско-корейских переговорах по спорным пограничным вопросам.
Результаты исследований вошли в ряд нормативных документов:
1. Руководство по гидравлическим расчетам крупных земляных каналов с определением потерь воды на фильтра-
нию1, - М., В/О "Союзводпроект" - "Союзгипроводхоз". -1981'j-48 С
2', Методические указания по проведению натурных гидравлических исследований на действующих земляных кана-лахі - М,, Совет по гидравлике и прогнозированию русловых процессов крупных каналов'. - ГКНТ. - 1984'. - 60 с.
3'. Рекомендации по гидравлическому расчету крупных каналов'. - М., Совет по гидравлике и прогнозированию русловых процессов крупных каналов', - ГКНТ. - 1983. - 154 с.
4', Рекомендации по расчету волн в каналах. - М., В/О "Союзводпроект" - "Союзгипроводхоз". - 1988. - 52 с.
5'. Рекомендации по гидравлическому расчету регуляционных и берегозащитных сооружений повышенной надежности для рек и каналов аридной зоны - М., "Союзгипроводхоз". - 199а - 42 с.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и
обсуждены на; заседании секции русловых процессов ГКНТ
(Москва', "Союзгипроводхоз", 1975-1985); XX, ХХШ конг
рессах МАГИ (Москва, 1982; Отгави, 1989); международных
совещаниях по научно-техническому сотрудничеству (Буха
рест, 1981; Варшава, 1987-1989; Пекин, 1988); совещаниях
по гидравлике и русловым процессам каналов (Ивантеевка,
1984; Каунас, 1985); П Всесоюзной конференции "Динамика
и термика рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984 );
У Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1986);
1У научно-техническом совещании (Москва, "Гидропроект"
им1. С.Я'.Жука, 1987); П Всесоюзном научном совещании
"Моделирование и прогнозирование изменений природных ус
ловий при перераспределении водных ресурсов" (Новосибирск,
1987); советско-индийских совещаниях (Ныо—Дели, 1986,
1987); ряде ведомственных совещании (Ташкент, САНИИРИ, 1985; Тбилиси, ГрузНИИГиМ, 1985-1986); 1У Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1987); научно-технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве" (Новочеркасск, 1989); Ш Всесоюзной конферен-
ции 'Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989); П съезд гидроэкологов СССР (Москва, 1991).
Диссертация была доложена в полном объеме в Груз-НИИГиМе на Всесоюзном совещании по отраслевой проблеме 0.11 "Разработать научно-технические мероприятия по повышению надежности 'гидромелиоративных систем и сооружений* (29-30 марта 1988 г.) и на заседании кафедры гидравлики МИСИ (17 апреля 1990 г.). Материалы исследований по теме диссертации опубликованы в 65 печатных работах. Основные из них указаны в конце автореферата, .
Структура и объем работы1. Диссертация (в 2-х томах) объемом 678 страниц содержит 296 страниц машинописного текста, 100 рисунков, 56 таблиц (том 1), 21 приложений (том 2) на 190 страницах, список литературы 362 наименования, из них 45 — на иностранных языках.
