Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технические решения и методы защиты городов, расположенных в морских устьях рек, от нагонных наводнений 9
1.1. Задачи ограничения нагонных явлений 9
1.2. Краткое описание нагонных явлений 11
1.3. Причины возникновения критических подъемов уровней 18
1.4. Научно - исследовательские работы 21
1.5. Существующие технические решения 29
1.6. Методы расчета пропускной способности сооружения 44
1.7. Основные выводы и постановка задач исследований 55
ГЛАВА 2. Решение задачи о распространении нагонных явлений в защищаемой акватории и определение пропускной способности отверстий в ограждающих защитных дамбах сооружений 57
2.1. Компоновочные схемы сооружений 57
2.2. Определение превышений в защищаемой акватории 59
2.3. Течение через сооружение и определение расхода 69
2.4. Параметры, влияющие на коэффициент расхода m 78
2.5. Коэффициент потерь на участке 3-5 78
2.6. Коэффициент потерь на участке 1-3 80
2.7. Коэффициент потерь на участке 5-7 82
2.8. Выводы по главе 83
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований .84
3.1. Моделирование гидравлических явлений. Закон подобия 84
3.2. Критерии гидродинамического подобия 87
3.3. Обоснование габаритов модели. Конструкция экспериментальной установки 98
3.4. Оценка точности измерений 104
ГЛАВА 4. Анализ полученных результатов 106
4.1. Коэффициент расхода m 106
4.2. Зависимость h5 от значения h7 Ill
4.3. Коэффициент потерь на участке 1-3 114
4.4. Коэффициент потерь на участке 3-5 116
4.5. Коэффициент потерь на участке 5-7 119
4.6. Анализ фотографического материала 120
4.7. Выводы по главе 122
ГЛАВА 5. Совершенствование технических решений сооружений для защиты городов от ветровых нагонов .123
5.1. Конструктивные особенности затворов из мягких оболочек 123
5.2. Выработка предложений по недопущению критических подъемов уровней р. Преголь в районе г. Калининграда 130
5.3. Выработка предложений по недопущению критических подъемов уровней в районе г. Санкт-Петербурга 138
5.4. Выводы по главе 145
Общие выводы 146
Список литературы
- Причины возникновения критических подъемов уровней
- Течение через сооружение и определение расхода
- Обоснование габаритов модели. Конструкция экспериментальной установки
- Коэффициент потерь на участке 5-7
Введение к работе
Актуальность темы. Устьевые участки крупных рек, впадающих в моря, являются наиболее плотно населенными районами земного шара. Обилие пресной воды, плодородие почвы, богатство рыбных ресурсов, скрещение речных и морских путей - это весьма важные факторы освоения этих территорий. Вместе с тем устья многих крупных рек гораздо чаще, чем другие прибрежные районы, оказываются во власти грозных стихийных сил природы - нагонных наводнений.
В последние десятилетия в ряде государств мира продолжаются активные развитие и освоение приморских территорий (в основном примыкающих к устьевым участкам крупных рек), в том числе находящихся в зонах периодического затопления во время нагонных и приливных колебаний уровней. Защита осуществляется путем возведения ограждающих сооружений (преимущественно земляных дамб) с судо- и водопропускными отверстиями. Но из-за высокой стоимости строительных работ и дальнейших эксплуатационных затрат не удается приступить к выполнению многих защитных комплексов или закончить их строительство, например в Санкт -Петербурге и Венеции. Поэтому обеспечение необходимой надежной защиты территорий от воздействия моря с помощью специальных гидротехнических сооружений при строительстве которых наносится минимальный ущерб природе и которые не требуют больших эксплуатационных затрат, является актуальной задачей. В данной работе рассмотрена возможность создание такого гидротехнического комплекса путем строительства судо- и водопропускных сооружений без перекрытая пролета либо частичным перекрытием пролета по высоте с использованием недорогих затворов из мягких оболочек.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в разработке новых компоновочных решений судо- и водопропускных сооружений для защиты прибрежных территорий и городов от нагонных явлений на основании результатов комплексных модельных гидравлических исследований и аналитических расчетов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
аналитическими расчетами и физическими экспериментами обоснована возможность использования для защиты от нагонных явлений судо- и водопропускных сооружений без установки затворов либо с частичным перекрытием отверстия затворами из мягких оболочек;
экспериментально выявлены взаимосвязи геометрических и гидравлических характеристик судо- и водопропускных сооружений (коэффициенты местного сопротивления на отдельных участках и коэффициент расхода т);
определены гидравлические условия работы предлагаемых
компоновочных решений в различных режимах, установлены ограничения,
-, РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА С.Петербург г у/, ОЭ vsa^nab / 7
і, і і — ШІ.Ч-ЯГ*
обеспечивающие допустимый режим судоходства, и скоростные режимы, исключающие повреждение конструкций;
предложены компоновочные решения, упрощающие конструкции ряда
проектируемых и строящихся сооружений
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена возможность осуществления защиты устьевых участков рек от нагонных явлений путем ограничения поступающего расхода с помощью судо- и водопропускных сооружений в ограждающем комплексе, параметры которых определяются из условия допустимого подъема уровня в защищаемой акватории с учетом реального гидрографа нагона;
при решении задачи о развитии нагонной ситуации в защищаемой акватории посредством составления упрощенных балансовых уравнений выявлено значительное влияние коэффициента расхода m на получаемые результаты;
определены факторы, влияющие на коэффициент расхода судо- и водопропускных сооружений; экспериментально установлены характер и степень этого влияния; получены данные для расчета коэффициента расхода m при различных геометрических параметрах;
получено соотношение уровней в защищаемой акватории и на выходе из сооружения, что значительно упрощает решение задачи распространения нагонных явлений в защищаемой акватории;
показана возможность применения для ряда городов, которые наиболее всего подвержены воздействию нагонных наводнений, предлагаемых двух компоновочных схем для ситуации в районе г. Калининграда и схемы с ограничением высоты отверстия затворами из мягких оболочек в защитных сооружениях г. Санкт - Петербурга.
На зашиту выносятся:
данные расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, компоновочно-конструктивных решений, которые позволяют ограничить нагонный расход, проходящий через сооружения, без превышения критического уровня в защищаемой акватории;
результаты обоснования и расчета пропускной способности предлагаемых компоновочных решений; без ограничения высоты отверстия или с его частичным ограничением затворами из мягких оболочек;
методика выбора компоновочных схем судо- и водопропускных сооружений в составе защитного комплекса на основе прогнозирования развития ситуации при нагонном явлении.
Достоверность основных научных исследований, рекомендаций и выводов подтверждается результатами численных экспериментов, согласующимися с данными натурных наблюдений; совпадением расчетных данных по
определению пропускной способности судо- и водопропускных сооружений с данными лабораторных экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 6-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых (МГСУ, г. Москва).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа содержит 202 страницы, в том числе 44 таблицы, 64 иллюстрации. Список литературы состоит из 171 наименования, из них 18 на иностранных языках.
Причины возникновения критических подъемов уровней
Исследования для обоснования защиты юго - западной Голландии проводились в Дельфтской гидравлической лаборатории, Дельфтской лаборатории механики грунтов, Нидерландском судостроительном опытном бассейне в Вагенингене и Военно-морской архитектурной лаборатории Нидерландов в Вагенингене [167]. Основные научные достижения заключаются в следующем:
Научно обоснована гидравлическая часть проекта. При этом решен широкий комплекс вопросов: моделирование нагонов и изучение гидродинамических характеристик потока, переформирование основания, разбавление морской воды, исследования вибрации затворов и пр. Проведены натурные изыскания. Особое внимание уделено изучению гидродинамических характеристик, отвечающих отдельным этапам строительства сооружений. По мере возведения сооружений требовались все более детальные и точные данные
О гидравлических процессах, происходящих в дельте и створе сооружений. Для получения этих данных была реализована обширная программа комплексных исследований. Нестационарные процессы изучались на гидравлической модели размером 183x81 м (с плановым масштабом 1:400 и вертикальным 1:100), на которой был воспроизведен весь эстуарий и прилегающий район моря. Масштабы модели и ее шероховатость установлены на основании обширных методических исследований. Была построена также неискаженная фрагментарная модель размером 234x81 м (с масштабом 1:80) с воспроизведением более ограниченного участка акватории.
На самостоятельных, более крупных моделях исследовались отдельные водопропускные сооружения, шлюзы, дамбы и причалы. Разрабатывались технологии землечерпания и берегоукрепительных работ.
Одномерная и двухмерная математические модели использовались для более подробного изучения кинематической структуры потока вблизи от сооружений, изучения распространения загрязнений и транспорта наносов.
Разработан основанный на теории надежности метод, позволяющий оптимизировать параметры защитного комплекса. Он включает построение «дерева отказов», охватывающего широкий набор определяющих аварийные ситуации факторов и их сочетаний: гидрометеорологических, прочностных, субъективных (ошибки проектировщиков, исследователей и эксплуатационников) и пр. Всего их рассмотрено около 50. Установлены на основании исследований и расчетов вероятностные характеристики этих факторов; составлены программы, учитывающие их возможные взаимодействия. Эти исследования помогли осуществить гармонизацию проекта, позволившую повысить надежность одних элементов, снять неоправданный запас прочности с других и тем самым оптимизировать проект и повысить его надежность в целом. Аналогичные исследования были проведены с целью установления оптимального варианта строительства сооружений.
Проведены комплексные исследования в обоснование: рациональных конструкций водопропускных сооружений; наплавных железобетонных конструкций для создания перемычек банкетов; конструкций и методов возведения дамб.
Основная трудность при проектировании и строительстве указанных сооружений - наличие в их основании слабых грунтов с низкой несущей способностью. Это потребовало разработку методов их уплотнения, замены, укладки матов, креплений и порогов из каменистых материалов.
Исследовались также наплавные сборные элементы, подвергающиеся воздействию течений и волн при их сборке, транспортировке и установке на место.
Исследования для обоснования защиты г. Гамбурга проводились в Федеральном институте техники водных путей, Датском гидравлическом институте, Германском гидрографическом институте Министерства транспорта и Институте механики грунтов [160, 162]. Основные научные достижения:
Создана гидравлическая пространственная модель Эльбы, охватывающая участок от устья до Гамбурга включительно. Она при гидравлических исследованиях являлась базовой. Было признано, что на ней могут быть оперативно решены важные практические задачи, реализация которых с использованием математического моделирования трудно осуществима. На этой модели прежде всего с целью установления причин наводнений в зависимости от гидрометеорологических условий на входе в эстуарий исследовалось более 130 различных ситуаций. Результаты исследований использованы при разработке методики прогноза наводнений.
На гидравлических моделях исследовались также перемещения наносов с помощью радиоактивных индикаторов, отдельные варианты дамб и гидротехнических сооружений.
Разработаны математические модели уровней и течений в Эльбе, позволяющие исследовать гидродинамические характеристики, массоперенос, перемещение наносов и качество воды. Математическая модель использована при решении вопросов: расчистки устьевых участков; определения режима работы судо- и водопропускных сооружений при условии поддержания необходимого качества воды; изучения рационального местоположения спрямляющих каналов; углубления фарватеров; составления методики прогноза наводнений.
Исследованы основания дамб и свойства грунтов, используемых в качестве строительных материалов. В результате предложены конструкции дамб с максимальным использованием местных грунтов, которые имеют надежные противоволновые защиты и дренажные устройства (рис. 1.5).
Разработан новый метод прогноза, обеспечивающий более полный учет гидрометеоусловий и взаимодействие определяющих факторов. Прогноз основан на реальных данных о направлении и скорости ветра, атмосферном давлении, характеристиках прилива и пр. Он позволяет предсказывать наводнение за 3-4 часа с точностью до 30 мин по времени и до 20 см по высоте подъема уровней.
Течение через сооружение и определение расхода
Для более плавного входа в виде сходящихся под некоторым углом (менее 25 ) вертикальных стенок (сопряжение по типу раструба на рис. 1.20,6), а также других очертаний (закругление в плане, сопряжение по типу косых плоскостей) коэффициент расхода можно принимать округленно ш 0,35 0,36.
Таким образом, мы видим, что схема течения через водосливы с широким порогом имеет значительный недостаток: величина, равная сумме коэффициентов потерь, определяется экспериментально для каждой разновидности сооружений и форм в отдельности, что затрудняет расчет конечного значения коэффициента расхода т. Кроме того, имеющиеся данные применяются ограниченно для определения расхода, проходящего через сооружение при различных перепадах уровней.
Расчетная схема 4. Рассмотрим более подробно особенности пропуска расхода через водосливы из мягких оболочек.
В гидромелиоративном и водохозяйственном строительстве в настоящее время применяются плотины из полимерных оболочек, так называемые мягкие водосливы, позволяющие резко снизить материалоемкость, стоимость и трудоемкость возведения подобных сооружений. Мягкие водосливы могут быть различных видов: водонаполненные, воздухонаполненные, воздуховодонаполненные, самонаполняемые, мембранные, комбинированные и др. Основные их типы: наполняемый (рис. 1.21, а), самонаполняемый (рис. 1.21, б), мембранный (рис. 1,21, в) и комбинированный (рис. 1,21, г).
Пропускная способность таких водосливов из мягких полимерных материалов изучена недостаточно. Это обусловлено, во-первых, относительной новизной таких сооружений и, во-вторых, сложностью их гидравлического расчета, так как переменная форма таких конструкций и гидравлические параметы этих водосливов (напор, коэффициент расхода, условия затопления) взаимосвязаны между собой.
В первом приближении расчет пропускной способности мягких водосливов можно производить по общеизвестным формулам для обычных водосливов (1.7).
Коэффициенты расхода m наполняемых водосливов (рис. 1.21, а) зависят от напора, внутреннего давления в оболочке водослива, формы и вида истечения и колеблются в широких пределах. При выборе значений коэффициента расхода m следует руководствоваться следующим [48]. Для незатопленных водосливов (при свободном истечении) меньшие значения коэффициента соответствуют меньшим напорам на гребне водослива и внутренним давлениям в оболочке, а большие - большим. Для затопленных водосливов (при подтопленном истечении) меньшие значения коэффициента расхода m соответствуют большим напорам, но малым перепадам уровней верхнего и нижнего бьефов. Большие же коэффициенты расхода получаются в том случае, когда уровень воды нижнего бьефа близок к отметке гребня водослива. Довольно высокие значения коэффициентов расхода мягких водосливов объясняются их удобообтекаемой формой и наличием вакуума на низовой водосливной грани. При свободном и частично подтопленном истечении наполняемые водосливы работают как вакуумные. Условия подтопления принимаются такими же как для водосливов практического профиля. Самонаполняемые водосливы (рис. 1.21, б) характеризуются несколько меньшими значениями коэффициента расхода т;=0,49.
Пропускная способность мягких водосливов мембранного типа (рис. 1.21, в) зависит от напора Н, значения и местоположения зоны вакуума св и угла а, образованного касательной, проведенной к гребню водослива и горизонтальным дном. В зависимости от угла а водослив приобретает вид водослива с криволинейной тонкой стенкой или же криволинейного водослива практического профиля. При углах а = 70...110 и Н/св = 0,37...0,43 коэффициент расхода т возрастает от 0,42 до 0,52, а затем происходит срыв вакуума под струей; при дальнейшем увеличении отношения Н/св коэффициент расхода уменьшается. При углах а = 140... 180 коэффициент расхода m уменьшается с 0,44 до 0,34.
Таким образом, получается, что коэффициент расхода m необходимо определять для каждого типа затвора индивидуально и общего, теоретически обоснованного подхода к определению коэффициента расхода m не существует 1.7. Основные выводы и постановка задач исследований.
Из сделанного обзора следует, что на данном этапе борьбы с нагонными явлениями существующими проектами решены не все возникающие трудности, особенно технико - экономического характера. В будущих проектах необходимо стремиться к конструктивно -технологическим решениям, сокращающим сроки строительства. Тем более, что Санкт-Петербург и другие города России нуждаются в решении проблемы защиты от нагонных наводнений. Предотвращать последствия таких наводнений уже сегодня необходимо на реках Преголь, Северной Двине, Енисее, Дону и др. Необходимо отметить, что управлять явлениями, вызывающими нагонные наводнения (рассмотренными в главе 1.3), не представляется возможным, так как они носят природный характер и поддаются только прогнозированию.
На основании проведенного обзора в этой главе стоит отметить ряд достоинств предложенных и реализованных проектных решений. успешно выполняют задачу защиты ограждаемой территории от неблагоприятных природных явлений; обеспечивают сохранение природного и экологического баланса после ввода в эксплуатацию разработанных проектных решений; способствуют решению ряда дополнительных хозяйственных задач (например, замыкание кольцевой автодороги г. Санкт-Петербурга, создание новых территорий для освоения и т.д.); математические модели прогнозирования развития нагонных явлений в акватории весьма удовлетворительно позволяют оценить предстоящую обстановку.
Необходимо отметить ряд недостатков рассмотренных нами в главе 1.4 проектных решений: относительно высокая стоимость традиционных технических решений не позволяет закончить строительство либо приступить к его выполнению для ряда объектов (например, Санкт-Петербург, Венеция); громоздкие конструктивные решения затворов судо- и водопропускных сооружений усложняют строительство и дальнейшую эксплуатацию; сооружения рассчитаны только на постоянное закрытие во время неблагоприятных явлений (судоходство полностью прекращается), что приводит к снижению грузооборота; недостаточные знания о гидравлических характеристиках сооружений (коэффициенты местного сопротивления и коэффициент расхода т) приводят к необходимости лабораторных исследований каждого из предлагаемых решений.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что возможно обойти отмеченные негативные моменты в существующих системах защиты от нагонных явлений путем регулирования ширины судо- и водопропускных сооружений в составе защитного комплекса без перекрытия отверстия либо с частичным перекрытием по высоте. Цель работы заключается в разработке новых компоновочных решений судо- и водопропускных сооружений для защиты прибрежных территорий и городов от нагонных явлений на основании результатов комплексных модельных гидравлических исследований и аналитических расчетов. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи: аналитическими расчетами и физическими экспериментами обосновать возможность использования для защиты от нагонных явлений в составе оградительных комплексов судо- и водопропускных сооружений без установки затворов либо с частичным перекрытием высоты отверстия; экспериментально выявить взаимосвязи геометрических и гидравлических характеристик сооружений (коэффициенты местного сопротивления на отдельных участках и коэффициент расхода т); предложить компоновочные решения, упрощающие ряд проектируемых и строящихся сооружений; определить гидравлические условия работы предлагаемых компоновочных решений в различных режимах; установить ограничения, обеспечивающие допустимый режим судоходства, и скоростные режимы, исключающие повреждение конструкций.
Обоснование габаритов модели. Конструкция экспериментальной установки
Для динамического подобия необходимо, чтобы все силы одинаковой природы, действующие на любую пару сходных элементов, отличались друг от друга лишь постоянными масштабами. Если на некоторый элемент потока в натуре действует сила Рн, а на сходный ей элемент потока на модели действует сила Рм, одинаковая по природе с силой Рн, то - = 8Р, (3.5), где 6Р - масштаб сил, одинаковый для любой пары сходственных точек. Потоки жидкости, удовлетворяющие одновременно условиям геометрического, кинематического и динамического подобия, будем называть гидродинамически подобными потоками. Назовем далее величины 8, дь 5V, бР и т. д. масштабными множителями. Выбор всех масштабных множителей для подобных потоков не является произвольным. Между ними имеется определенная связь.
Как известно, равнодействующую всех сил, действующую на произвольно взятую в потоке частицу, можно выразить через произведение массы на ускорение Р = т- j - p-W . Следовательно, равнодействующие силы, действующие на два сходных элемента потока в натуре и на модели, будут рн - Рн WH " JH И РМ Рм WM їм Их отношение, выраженное в масштабных множителях, будет -JL = Sp = 5p-Si -Sj, где 5Р - масштаб плотности. Масштабный множитель ускорения можно выразить через масштабные множители длин 6 и времени S,, а именно dj = —j, тогда получим
Таким образом, устанавливается связь между масштабными множителями: для сил Sp, для длин S (геометрический масштабный множитель), для времени S, и плотностей др. Если в уравнение (3.6) ввести масштабный множитель скорости, имея в виду, что 5V =—, то получим s, SP=SP-S2S? (3.7) или vbr1- (38) Это выражение закона подобия Ньютона в масштабных множителях. Заменив масштабные множители соответствующими отношениями, из Р Р р (3.8) получим т г = т г- или Ne = idem, где Ne = Рн Ч Рм Ч УЇ P-l-V2 называется критерием Ньютона. Таким образом, гидродинамическое подобие явлений требует равенства критериев Ньютона, соответствующих модели и натуре.
На основании уравнения (3.8) устанавливается отношение между действующими силами в подобных потоках, выраженное через отношение плотностей, площадей и квадрата скоростей подобных потоков. Если это отношение будет известно (оно, как увидим ниже, будет зависеть от природы действующих сил), то при выбранном 5 и при заданных плотностях (возможны в общем случае разные жидкости, например вода и воздух) можно найти 8v, а затем dt, 8j и другие масштабные множители.
Движение жидкости в природе совершается под совокупным действием различных сил: тяжести, давления, трения (сопротивления), поверхностного натяжения, упругости. Каждая из этих сил выражается через физические величины (размерные коэффициенты), характеризующие природу сил и жидкости [78, 906 150]. Влияние указанных сил проявляется в неодинаковой степени в различных явлениях. Одни явления протекают под преобладающим действием сил тяжести и сопротивления, другие - сил тяжести, сопротивления и поверхностного натяжения или только сил тяжести и поверхностного натяжения и т. д. Условия гидродинамического подобия модели и натуры требуют равенства на модели и в натуре отношения всех сил, под действием которых протекает явление, или одинакового отношения между действующими силами в натуре и такими же силами, действующими в модели. Однако вследствие физических особенностей действующих сил выполнить это условие практически невозможно. Поэтому стремятся установить условия подобия или так называемые критерии подобия для частных случаев, когда из действующих сил в качестве преобладающей выступает одна сила или несколько сил. Рассмотрим некоторые частные случаи.
Подобие потоков в случае преобладающего влияния сил тяжести. В ряде гидравлических явлений преобладающими над силами сопротивления будут силы тяжести, например при переливе через плотину, при истечении через водосливы и отверстия и т. д. Если Р сила тяжести, то p = y-W=p-g-W. Тогда отношение сил тяжести в натуре и на модели Р можно записать в виде др=- -6п-8 8Ъ. Имея в виду зависимость (3.7), получим S,2 = 1. (3.9) S-5 Или, заменяя масштабные множители соответствующими отношениями:
Безразмерный комплекс v /gl, который называют числом Фруда и обозначают Fr, может служить критерием гравитационного подобия. Значит, геометрически подобные потоки, в которых преобладает действие сил тяжести, можно считать динамически подобными, если будут равны числа Фруда для сходных сечений обоих потоков FrH = FrM или Fr = idem. (3.11) Из зависимости (3.9) при gH = givb т. е. при 8g = 1, вытекает SV = S05 (3.12) или vH=vM-48. (3.13) Расходы натуры и модели с Fr = idem должны находиться в такой зависимости: Он =а)Н Н =52.JS=S2.S (3.14) Если в натуре имеется расход QH, то на модели, которая, например, меньше натуры в 8 раз, расход должен быть меньше в б2-5 раза. Масштабный множитель для времени будет -ТГЖ4 - (ЗЛ5)
Следовательно, время протекания процесса в натуре будет продолжительнее в -І5 раз, чем время протекания подобного процесса на модели.
Аналогично рассуждая, можно установить значение масштабных множителей для силы, давления, работы и т. д., выражая их через геометрический масштабный множитель. Практически достаточно знать масштаб геометрического подобия, чтобы установить отношение между величинами, характеризующими подобные потоки. Напомним еще раз, что при всех этих выводах мы исходим из полного геометрического подобия натуры и модели, в том числе и подобия граничных условий (— = idem). Теперь рассмотрим значения гидравлического уклона. Из Ы-g-R-l „2 S -SR-S, выражения v= —2- имеем Sv = g —- или, принимая \=1, oR=d, х V Я о, и согласно (3.12) получаем 5v=4s , Sl = " л =6Я. о Коэффициент Дарси Л в общем случае зависит от Re, Fr и A/R; рассматривая случай движения воды под влиянием сил тяжести, можно считать, что Я не зависит от Re, что соответствует турбулентному режиму в квадратичной области сопротивления, и принимать A- f(Fr,—) или при Fr = idem и — =idem считать Sx = 1.
Коэффициент потерь на участке 5-7
Краткое описание нагонных явлений приведено в главе 1.1. Класс капитальности сооружения. При расчете защитных сооружений в устье р. Преголь (в соответствии с численностью населения г. Калининграда около 700 000 человек) согласно [133] может быть принят II класс капитальности. При этом водопропускные элементы защитных сооружений должны быть рассчитаны на расходы 1,0 % обеспеченности с поверочным расходом 0,1 % обеспеченности.
Метеорологическая ситуация. При оценке метеорологической ситуации при ветровых нагонах в устье р. Преголь (г. Калининград) кроме данных непосредственных наблюдений [104, 139] были использованы данные многолетних метеорологических наблюдений по г. Санкт Петербургу [34], так как условия в связи с большой масштабностью метеорологических явлений в приземном пограничном слое мало отличаются от условий г. Калининграда. Таким образом, очевидна единая природа явлений в районе г. Санкт - Петербурга и г. Калининграда. При этом чаще всего наблюдаются кратковременные штормы продолжительностью менее 6 часов, со скоростью ветра 16 м/с. Их повторяемость близка к 50%. Повторяемость сильных и длительных штормов со скоростью свыше 25 м/с и продолжительностью свыше 4 часов - 1 раз в 25 лет, а штормы продолжительностью свыше 18 часов при той же скорости - 1 раз в 50 лет; скорости ветра на высоте 10 м: 27 м/с - 1% обеспеченности, 23 м/с - 2% обеспеченности. При расчетной продолжительности нагона 21 час фаза вторжения составит 7 часов, а фаза оттока - 14 часов.
Для оценки нагонных явлений необходимо учитывать и величину скорости ветра, и его продолжительность, поэтому в качестве расчетных значений ситуаций были рассмотрены все ситуации с повторяемостью 1%. Эти значения варьируются от 22 м/с и продолжительностью шторма менее 6 часов до 16 м/с и продолжительностью шторма 18-24 часа. Как было отмечено в разделе 2.1, форму гидрографа нагона можно принять треугольной с соотношением сторон 1:2. Для нагона продолжительностью 21 час соответствует максимальный подъем уровня с обеспеченностью 1% в 1,9 м.
Геоморфологическая ситуация. В приустьевой долине р. Преголь геоморфологическая ситуация оценивалась, на основе анализа картографического материала [104], который позволил выделить участки, подверженные воздействию нагонных явлений различной интенсивности и продолжительности. Анализ показал, что речная долина р. Преголь имеет сложные очертания в связи с небольшими изменениями высотных отметок прилегающей территории и преобладанием равнинных рельефов. Для превышения менее 2,0 м, представляющих практический интерес, ширина долины изменяется от 1400 до 1900 м (усредненное значение на участке от г. Калининграда до г. Гвардейска), из которых около 200 м заняты собственно руслом реки.
Для оценки площади территории, затапливаемой при нагонах с различным превышением ординара (так называемой площади водного зеркала), необходимо было учесть данные о проникновении нагона в устье реки, что потребовало сведений об уклоне русла. На основе обработки данных о проникновении нагона в 1983 и 1999 гг. и изысканий, проведенных Гипрокоммунстроем [104] в 1976 г., уклон русла на приустьевом участке был принят 2 -10 5. Таким образом, объем воды, который может быть аккумулирован в зоне затопления (с безопасным превышением ординара на 0,9 м без подтопления территории), составляет 42,5-10 м С учетом отгораживаемой части залива суммарный объем составит 165,6-10 м .
Гидрологическая ситуация. Для расчета нагонных явлений на р. Преголь потребовались сведения о расходах воды в реке в период нагонов [28]. Поскольку нагонные явления происходят в осенне-зимний период, необходимо принять во внимание зимний меженный расход. По гидрологическим данным расход р. Преголь составляет 150 м/с (обеспеченность 1%). С учетом продолжительности штормов 18-24 часа речной сток составит 13-10 м Сопоставив объем речного стока с ранее найденным значением объемов воды в зоне затопления, видим, что объем речного стока не выходит за пределы 10% от объема воды в зоне затопления.
Задачи регулирования нагонно - стокового режима. Приведенные выше оценки показывают, что объем речного стока составляет малую часть от объема воды в зоне затопления даже при наибольшей продолжительности нагона, поэтому меженный речной сток в рамках задачи о подтоплении при ветровых нагонах регулирования не требует.
Для обеспечения защиты г. Калининграда от подтопления при ветровых штормовых нагонах с превышением ординара более чем на 0,9 м необходимо в составе ограждающих сооружений (дамб) предусмотреть водопропускную часть (она же и судопропускная), которую целесообразно разместить в пределах сечения существующего морского канала. Водопропускная часть по размерам живого сечения, по очертаниям и конструкции должна обеспечивать следующее: ограничивать расход вторжения таким образом, чтобы при наиболее опасном сценарии расчетного шторма превышение в районе г. Калининграда не выходило за пределы допустимого, равного 0,9 м. Как видно из описанной выше гидрологической ситуации, наиболее опасным является шторм большой продолжительности (18-24 часа, в среднем 21 час), при котором максимальный уровень в заливе составляет 1,9 м; обеспечивать пропуск расчетного расхода весеннего половодья обеспеченность 1% 1760 м3/с (половодье плюс дождевой расход); обеспечивать пропуск льда в половодье; обеспечивать пропуск судов наибольшей расчетной грузоподъемности; Обоснование расчетной гидравлической схемы работы водопропускного сооружения. Для обоснования гидравлической расчетной схемы представим судо- и водопропускные сооружения в виде отверстий (проранов) в оградительной дамбе, створ которой предлагается расположить между м. Дряхлый пос. Прибрежное и м. Светлый (рис. 5.5). Выбор места положения створа обусловлен необходимостью создания аккумулирующего объема нагонных вод и строительством кольцевой автодороги по гребню дамбы.
Рассмотрим гидравлические условия работы такого отверстия. В смысле гидравлического режима при работе водопропускного сооружения в условиях пропуска расчетного расхода вторжения оно представляет собой большое отверстие, пропускающее расход вторжения за счет перепада. Этот перепад в начальной фазе нагона будет возрастать за счет нарастания уровня воды перед оградительным сооружением. При этом пропускаемый расход вторжения будет возрастать и емкость затопления будет наполняться, что приведет к росту уровня за отверстием. В связи с тем, что площадь зеркала затопления примерно в 10 раз меньше площади зеркала залива, темп роста уровня позади отверстия будет достаточно высоким, вследствие чего разность уровней может быстро выравниваться. Оценив степень сжатия отверстия, потери на вход и на выход и расширение потока, можно определить расход, пропускаемый отверстием при различных уровнях на входе и на выходе потока из сооружения.
С учетом отмеченных обстоятельств были составлены и решены численно балансово-дифференциальные уравнения с целью определения ширины отверстия, при котором повышение уровня на подтопляемой территории не превышает 0,9 м. На основе выполненного расчетного анализа окончательно можно принять к рассмотрению ширину отверстия 40 м (рис. 5.6). Данная ширина прорана удовлетворяет не только требованиям безопасного превышения уровня в пойме, но и условиям судоходства 36 м при ширине судна не более 33 м [131].
При известном графике повышения уровня в пойме на основе использования дифференциальных уравнений был определен расход вторжения в зону затопления. При превышении 1,9 м и продолжительности шторма 21 час максимальный расход составляет 3150 м3/с. Таким образом, расход реки в меженный период составляет 5% от нагона и в дальнейших расчетах может не учитываться.
Далее рассмотрено устройство судопропускной части по рис.2.8,т.е. с затвором из мягкой оболочки. Основной задачей при решении уравнения (2) является определение высоты оболочки при заданных ширинах отверстия, которая обеспечит подъем уровня в акватории не более 0,9 м. Были получены следующие результаты: ширина сооружения В=50 м, диаметр оболочки d=2,5 м; В=55 м, d=4,5 м; В=60 м, d=6,5 м; В=65 м, d=9,0 м. Данные результаты дают возможность, основываясь на прогнозах развития грузооборота порта города, подобрать необходимую ширину отверстия на расчетный период эксплуатации сооружения, минимум 50 лет. Пока можно рекомендовать использование варианта на основе рис. 3 с шириной 40 м, длиной 160 м и радиусами входа и выхода 40 м. Максимальная скорость на выходе составляет около 5 м/с. Все результаты расчетов представлены на рис. 5.6 и в приложении 4.
