Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные методы борьбы с заилением и их научно-теоретическое обоснование 11
1.1. Заиление и размывы русел каналов оросительных систем 11
1.2. Методы борьбы с заилением оросительных каналов 12
1.3. Роль наносов в общей проблеме эксплуатации гидротехнических сооружений 22
1.4. Проблемы регулирование твердого стока в водохранилищах
и каналах с применением отстойников 24
Глава 2. Анализ методов расчета деформации русел 26
2.1. Модели руслового потока и его транспортирующей способности 28
2.2. Ирригационные водохранилища и водозаборы 42
2.3. Естественная отмостка русла 46
2.4. Русловые деформации на участках подводных переходов магистральных трубопроводов 49
Глава 3. Динамика русловых процессов при движении -, двухфазных потоков 52
3.1. Уравнение гидродинамики для потока жидкости с частицами 52
3.2. Анализ уравнения движения стационарного плоского взвесенесущего потока 55
3.3. Длина пути насыщения потока взвесями 62
3.4. Гипотеза о связи диффузии взвешенных частиц с величиной размыва ложа русла 69
3.5. Верификация метода 73
3.6. Русловые деформации при грядовом движении наносов 88
Глава 4. Рациональное распределение твердого и жидкого стока в элементах оросительных систем 93
4.1 Условия рационального водозабора из естественных водоисточников 93
4.2 Основные принципы рационального распределения твердого стока по элементам оросительной сети 94
4.3. Методика расчета рационального деления взвесенесущего потока по элементам оросительной сети 97
4.4. Методика расчета динамически устойчивых русел рек и каналов оросительной системы 101;
4.5. Методы регулирования твердого стока в элементах оросительной сети при условии рационального водозабора 107
Глава 5. Методы защиты русел рек от размыва на участках подводных переходов трубопроводов 113
5.1. Постановка задачи 113
5.2. Прогнозирование русловых процессов на участках подводных переходов 119
5.3. Оценка безопасности состояния подводных магистральных трубопроводов 132
5.4. Методика определения выноса грунта из тела намыва 135
5.5. Гидравлическая схема защиты 143
5.6. Гидротехнические мероприятия и основные положения по технологии производства намывных работ 152
Глава 6. Результаты практической реализации и эффективность технических решений 155
6.1. Защита подводных переходов через р.Обь и Алешкинскую протоку 155
6.2. Изучение состояния подводных переходов в послеремонтный период 166
6.3. Технические решения по защите подводных
переходов магистральных газопроводов через реки РФ 172
6.4. Экономическая эффективность предложенных
технических решений 180
Выводы 186
Список литературы
- Методы борьбы с заилением оросительных каналов
- Ирригационные водохранилища и водозаборы
- Анализ уравнения движения стационарного плоского взвесенесущего потока
- Основные принципы рационального распределения твердого стока по элементам оросительной сети
Введение к работе
Актуальность проблемы. Для обеспечения проектирования, строительства и надежной, безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений на реках, транспортирующих наносы, совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений является актуальной проблемой, решение которой должно базироваться на современных разработках в области теории руслового процесса. За последнее десятилетие при эксплуатации гидротехнических сооружений значительное их количество вышло из строя и стало представлять реальную экологическую и социальную опасность. Высокие паводки на больших и малых реках, наводнения в крупных сельскохозяйственных и промышленных регионах, имеющих высокую плотность населения, делают проблему защиты и обеспечения надежного функционирования гидротехнических сооружений, в том числе на гидромелиоративных системах, чрезвычайно актуальной.
Для большинства оросительных систем России водозабор производится из равнинных рек, транспортирующих значительное количество взвешенных и донных наносов, которые, осаждаясь в оросительных каналах, снижают их пропускную способность, а увеличение размывающей способности потока приводит к размыву русла. При очистке оросительных каналов возникает проблема утилизации и размещения выбираемого грунта. При эксплуатации многочисленных подводных переходов газо- и нефтепроводов и других гидротехнических сооружений наблюдаются большое число отказов из-за наружной коррозии труб, механических повреждений и других дефектов, обусловленных оголением и провисанием трубопроводов вследствие развития русловых деформаций. Средняя интенсивность отказов за последние 10 лет составила 0,39 случая на 1000 км газопроводов в год. На ликвидацию аварийных состояний подводных переходов ОАО «Газпром» затрачивает ежегодно более 5 млрд. рублей, а затраты на очистку ирригационных систем от наносов составляют 0,5-0,6 млрд. рублей в год.
Причины возникновения аварийных ситуаций и разрушения речных и мелиоративных сооружений связаны с ошибками проектирования, которые возникают из-за неверных оценок переформирования русел и пойм. Достоверную оценку технической и экологической безопасности гидросооружений получить довольно сложно из-за нарушения естественного хода руслового процесса, вызванного гидротехническим вмешательством в жизнь реки и оттеснением руслового и пойменного потоков выправительными сооружениями.
Вопросы управления твердым стоком в ирригационных каналах и защита речных гидротехнических сооружений входят в круг задач, решаемых в рамках одной проблемы, связанной с изучением русловых процессов.
Анализ существующих методов защиты каналов ирригационных систем и русел рек на участках подводных переходов трубопроводов от размыва (методы крепления берегов и дна гибкими синтетическими материалами, засыпки и укладки заполненных грунтом контейнеров, возведение местных русловыправительных сооружений и др.) показывает их малую эффективность из-за неоднозначного характера последствий, вызванных локальным воздействием защитных мероприятий на естественное развитие руслового процесса. Более эффективные методы защиты основаны на концепции динамически устойчивого русла. Для реализации этой концепции необходимо разработать и теоретически обосновать методы расчета русловых деформаций и технологию формирования динамически устойчивого русла.
Анализ состояния проблемы свидетельствует о необходимости развития и углубления теоретических представлений и экспериментальных исследований влияния русловых процессов на устойчивость гидротехнических сооружений. В связи с этим актуальным является совершенствование и создание новых критериев безопасности и методов диагностики технического состояния и защиты гидротехнических сооружений на размываемых и заиляемых участках русел водотоков, включая мониторинг, ситуационный анализ, прогнозирование, методы расчета и технологию формирования динамически устойчивого русла.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование теории русловых процессов, разработка способов формирования динамически устойчивого русла, методов расчета русловых деформаций и методов защиты речных и мелиоративных сооружений от негативных процессов размыва и заиления русел для повышения надежности их функционирования и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
- выполнить анализ проблемы эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений, методов расчета руслового потока и деформации русел, а также существующих способов защиты гидросооружений от негативных последствий размыва и заиления русел;
- усовершенствовать теорию русловых процессов для двухфазного потока жидкости, создать математическую модель, связывающую транспортирующую способность потока с деформациями русла;
- разработать методику расчета размыва русел, в которой учитывается связь транспортирующей способности потока с размывом русла;
- разработать методы диагностики и прогнозирования состояния подводных переходов трубопроводов в период их эксплуатации;
- сформулировать принципы и разработать технологию создания динамически устойчивого русла;
- предложить способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на принципах формирования динамически устойчивого русла, и методы расчета параметров защитного слоя из крупных фракций грунта (отмостки) для предотвращения размыва русла;
- сформулировать систему способов защиты гидросооружений ирригационных систем с регулированием режима транспорта наносов в каналах.
Объектом исследования являются речные и гидромелиоративные сооружения, русловые участки в зонах технических коридоров подводных переходов трубопроводов через реку Обь и Алешкинскую протоку, а также через реки Надым, Вятка, Сура, Белая (Краснодарского края). Предмет исследования – влияние русловых процессов в зоне деформированных участков рек и каналов на устойчивость гидротехнических и мелиоративных сооружений.
Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических, экспериментальных и натурных исследований. Теоретической и методологической основой выполненных исследований являются классические труды Н.В. Гришанина, Е.А.Замарина, В.В. Пославского, М.В.Потапова, Г.А.Тер-Абрамянца, А.Г.Хачатряна, Х.Ш. Шапиро и других отечественных и зарубежных ученых. В исследованиях использовались разработки в области гидротехники, гидрологии, гидравлики русловых потоков, динамики сплошных сред, аналитического и численного моделирования.
Методика, оборудование и аппаратура, используемые при производстве гидрометрических измерений на участках подводных переходов через водотоки соответствовали требованиям существующих нормативных документов. Обработка данных экспериментальных и натурных исследований проводилась с использованием статистических программ и численных методов.
Научная новизна исследований состоит в разработке эффективных методов защиты гидросооружений, методик инженерных расчетов и технологий, в том числе:
- разработаны новые положения теории насыщения потока разнофракционными грунтами, полученные расчетные зависимости применены в практике проектирования, строительства и эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений;
- впервые теоретически обоснована и подтверждена натурными исследованиями, выполненными автором, методика прогноза деформаций русел рек и каналов в зоне влияния гидротехнических сооружений;
- предложена новая концепция защиты подводных переходов трубопроводов, основанная на выполнении русловыправительных работ гидромеханизированным способом и формировании динамически устойчивого русла;
- предложен метод диагностики состояния подводных переходов трубопроводов, позволяющий планировать эффективную стратегию их эксплуатации и своевременно проводить профилактический ремонт сооружений (взамен дорогостоящего капитального);
- разработан принципиально новый метод защиты каналов оросительных систем от заиления, обеспечивающий регулирование режима транспорта наносов и позволяющий снизить осаждение взвешенных частиц в сооружениях ирригационных систем.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Теоретическое положение о наличии связи между скоростью размыва дна песчаного русла и скоростью диффузии частиц из придонного слоя, подтвержденное результатами натурных исследований.
2. Методика прогнозирования размыва русел рек и каналов, основанная на теории насыщения потока разнофракционными наносами и связи размыва дна с транспортирующей способностью потока.
3. Методика расчета и технология формирования динамически устойчивого русла, включая метод создания защитного слоя намыва из наиболее крупных фракций грунта.
4. Методика диагностики технического состояния подводных трубопроводов с использованием коэффициента безопасности.
5. Методика регулирования режима транспорта наносов в каналах ирригационных систем.
6. Способ защиты русел водотоков от размыва на участках подводных переходов трубопроводов, основанный на формировании динамически устойчивого русла путем одновременного выравнивания поля скоростей водного потока и восстановления естественной отмостки (патент РФ № 2108424).
Достоверность научных результатов. Теоретический подход, используемый для вывода уравнения связи между транспортирующей способностью потока и размывом дна, базируется на общих уравнениях динамики сплошных сред (при наложении ряда условий: малые концентрации твердых частиц в потоке, равенство коэффициентов диффузии однородного двухфазного потока и отсутствие взаимодействия между твердыми частицами). Выдвинутое научное положение (в форме гипотезы) о наличии пропорциональной связи между скоростью размыва дна и скоростью диффузии частиц из придонного слоя было подтверждено результатами экспериментальных исследований автора, а также данными, опубликованными в научной литературе.
Достоверность предложенной методики прогноза русловых деформаций подтверждена результатами натурных исследований полей скорости и мутности, а также данными разновременных русловых съемок в период 1989-2002 гг. на участках технических коридоров через р. Обь (п. Андра) и Алешкинскую протоку, через реки Надым и Вятка.
Обоснованность методики формирования динамически устойчивого русла подтверждена результатами многолетних (13 лет) натурных наблюдений. Данные русловой съемки, проведенной до и после формирования динамически устойчивого русла, и их анализ позволили доказать высокую эффективность предлагаемого способа защиты подводных переходов трубопроводов.
Практическая значимость исследований. Диссертационная работа направлена на решение крупной народно-хозяйственной проблемы, связанной с обеспечением защиты гидросооружений от негативных последствий развития русловых процессов и созданием условий для безаварийной эксплуатации подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.
Предложенная методика прогнозирования размыва речного русла рекомендуется к использованию во всех областях гидротехнического строительства, в частности, при проектировании, строительстве и эксплуатации противопаводковых защитных сооружений, мостов, струенаправляющих дамб, подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.
Способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на создании динамически устойчивого русла и защищенный патентом (№ 2108424) реализован при проведении ремонта 18-ниточного перехода магистрального газопровода через р. Обь, что позволило получить экономический эффект 189,9 млн.руб. (в ценах 1999 г.). Экономический эффект от внедрения способа диагностики технического состояния и новой технологии защиты подводных переходов трубопроводов через Алешкинскую протоку составил 284,6 млн.руб. (в ценах 1999 года).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, определении направлений совершенствования теоретических разработок, участии в изысканиях, проведении длительных натурных экспериментов, системной обработке и анализе результатов, создании моделей и выполнении модельных расчетов, разработке методик для практического использования при проектировании, строительстве и эксплуатации гидросооружений, а также в разработке технических решений, практических выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном Гидравлическом Конгрессе (МАГИ, С.Петербург, 2002 г.), на Всероссийском гидрологическом съезде (2004г.), на технических совещаниях ОАО «Газпром» (1997-2004 гг.), на II-ой Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ОАЭ, Дубаи, 2004 г.), на научно-практических конференциях ВНИИГиМ и МГУП (1990-2004 гг.). Научно-технические разработки экспонировались на Международных выставках (Таиланд, Бангкок, 2004; Иордания, Амман, 2005, 2006).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, в том числе, в журналах по Перечню ВАК 7, защищены патентами (№ 2108424, № 2115785 и а.с. №1587120).
Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 254 стр., включая введение, 6 глав, выводы, список литературы и приложения. Диссертация содержит 187 стр. основного текста, 27 таблиц, 29 рисунков. Библиография включает 290 наименований, в том числе, 40 иностранных источников.
Методы борьбы с заилением оросительных каналов
Исследования эффективности струенаправляющих систем [202], установленных перед водозаборами каналов (Каракумский, Ташсака, Клычни-язбай, Кипчак-Бозсу, Кызкеткен и Пахтаарна), свидетельствуют о 100% задержке этими системами донных наносов. Следовательно, проблема борьбы с попаданием донных наносов в оросительную сеть принципиально ре-шена даже без теоретического обоснования и поэтому в данной работе исследований, связанных с движением донных наносов не проводилось.
Обратимся теперь к вопросу о влиянии струенаправляющих систем на движение взвешенных наносов. Результаты натурных исследований по эффективности функционирования таких систем, построенных на головных сооружениях вышеназванных каналов, приведены в работах [229, 231, 232, 233].
В качестве типового примера рассмотрим воздействие струенаправ-ляющей системы на пропуск взвешенных наносов в канале Ташсака (табл.1.2).
Как следует из анализа данных, помещенных в таблице 1.2, в Ташса-кинский канал не было допущено 9 млн.м3 взвешенных наносов, что дало экономический эффект около 1,8 млн.руб. в ценах 1984 г. Однако, этот объём составил всего 5% от общего объема наносов, поступивших в Ташсакин-ский канал, что указывает на неэффективность струенаправляющих систем как средства борьбы с взвешенными наносами.
Аналогичный вывод можно сделать при анализе работы струенаправ-ляющих систем в Амударьинской оросительной сети [226, 237].
Применение струенаправляющих систем перед водозабором обеспечивает лишь частичное решение проблемы борьбы с заилением каналов -защиту плотинных и бесплотинных водозаборов от поступления донных и придонных наносов. Однако содержание последних в речных потоках не превышают 9-11% от объема взвешенных наносов. К аналогичному выводу можно прийти при анализе других схем защиты от заиления каналов [204, 208]. Эти выводы подтверждаются данными о ежегодном объеме очистки оросительных систем, приведенных в монографии [233]. В СССР этот объем составлял 650 млн.м3, из которых только 100 млн.м3 приходилось на оросительные системы с водозабором из реки Амударьи. Следует учесть, что практически все Амударьинские оросительные системы были оснащены головными и внутрисистемными отстойниками, объемы годовой очистки которых не превышал 5 млн.м3, что составляет всего 5% от общего объема грунтов, выбираемых из всей оросительной сети СССР.
Даже решив проблему недопущения наносов из реки в каналы оросительной сети, нельзя в полной мере решить проблему заиления. Опыты, проведенные отечественными учеными [10, 26, 39, 115] показали, что прямолинейные пионерные необлицованные каналы под воздействием течения обязательно преобразуются в изогнутые в плане русла, причем такие, для которых справедлив принцип минимума диссипации энергии среднего движения. Другими словами, русло искусственного канала будет переформировываться до тех пор, пока коэффициент гидравлического сопротивления не достигнет минимума, соответствующего данному уклону местности и грунтов, слагающих русло [27,115,116].
Спрямление канала, т.е. приведение его русла к проектному варианту экономически не эффективно, так как поток вновь начнет воздействовать на русло канала, вызывая его деформации. С учетом того, что коэффициент гидравлического сопротивления является определяющей характеристикой транспортирующей способности потока, все прогнозы заиления, выполненные для проектного варианта, теряют актуальность.
Переформирование пионерного русла канала означает, что на одних участках русла канала начнется его размыв, а на других - аккумуляция продуктов размыва, что приводит к изменению уклона по всей длине канала. Изменения уклонов и формы поперечных сечений переформированного канала значительно изменяют первоначальную (проектную) величину транспортирующей способности и вычисление этой характеристики для различных участков канала с новым руслом оказывается невыполнимой задачей из-за невозможности собрать всю требуемую для существующих методов расчета информацию [218, 225].
Поэтому решение проблемы борьбы с заилением становится возможным путем создания альтернативного метода расчета, основанного на выводе новых зависимостей для определения транспортирующей способности взвесенесущих потоков, и разработки новых способов закрепления русел каналов.
Известно [143, 144, 146, 190], что при наличии взвешенных частиц в водном потоке поверхность земляных русел каналов кольматируется. Образующийся кольматационный слой уменьшает интенсивность фильтраци онных процессов и защищает русло каналов от размыва. Однако кольмата-ционный слой ежегодно разрушается при проведении дноуглубительных работ из-за отсутствия эффективных методов очистки каналов от наносов.
В руслах естественных водотоков, кроме того, формируется отмостка - слой русловых наносов, состоящий из крупнозернистых фракций. Основное отличие кольматационного слоя от отмостки состоит в механизме образования. Так, если кольматационный слой образуется за счет осаждения и дальнейшего уплотнения грунтов с различным механическим составом, где преобладают мелкозернистые фракции, то отмостка обязана своим происхождением руслоформирующим фракциям, неразмываемым даже при прохождении половодий низкой обеспеченности. Отличие в механизме образования и строении отмостки и кольматационного слоя никак не отражается на единстве их основной функции - защите русла каналов и рек от размыва. Поэтому изучение свойств отмостки с позиций теории насыщения руслового потока наносами различных фракций [55, 83, 229] открывает перспективу использовать полученные результаты для описания динамики формирования кольматационного слоя.
Значимость отмостки как средства защиты русла от размыва отражена в работах [55, 121, 124, 233], авторы которых проводили исследования на участках подводных переходов магистральных нефте-газопроводов через реки. Анализ результатов натурных измерений показывает, что интенсивность трансформации русла на участках подводных переходов значительно выше по сравнению с участками реки с неразрушенной отмосткой. Это является основной причиной быстрого (по сравнению с прогнозируемым) размыва русла в зоне трубопроводов.
Ирригационные водохранилища и водозаборы
Проблемы эксплуатации.ирригационных водохранилищ и водозаборов аналогичны проблемам эксплуатации отстойников. Эти элементы оросительных систем так же подвергаются усиленному заилению. Так, по данным Х.Ш.Шапиро [215, 219, 229, 233], водохранилища Средней Азии за 20-25 лет эксплуатации заиливаются на 45-75%. Однако, заиление водохранилищ, кроме уменьшения их объема, вызывает повышение уровня воды в зоне выклинивания кривой подпора и затопление прилегающих территорий. Поэтому гидравлический расчет распределения объема тела заиления в верхнем бьефе гидроузлов производится с учетом динамики распространения кривой подпора, что и отличает методы расчета ирригационных водохранилищ от методов расчета ирригационных отстойников.
Тем не менее, методы, предложенные Г.И.Шашовым, В.С.Лапшенковым [98],СТ.Алтуниным [3] не содержат рекомендаций по использованию данных о динамике выклинивания кривой подпора и не учиты вают особенности осаждения взвешенных наносов в водохранилищах и распределение этих отложений по длине подпертого бьефа.
Эти недостатки были устранены Х.Ш.Шапиро [233], который предложил способ определения осаждения взвешенных наносов по длине водохранилища, разделив водохранилище на три зоны: — в пределах первоначального выклинивания подпора; — в переходной зоне - от концевого участка кривой подпора к чаше водохранилища; — в зоне самой чаши водохранилища, характеризующейся значительной шириной потока и очень малыми уклонами свободной водной поверхности.
Динамику осаждения наносов в каждой зоне Х.Ш.Шапиро [216] определяет по методам, рекомендованным для расчетов ирригационных отстойников [224]. В этом случае объем отложений V, рассчитывается с использованием зависимости: V, -Щл-лШ (2.20) /я где р, ирв - мутность потока на входе и выходе из расчетного участка, кг/м3; Qcp- осредненный по времени / расход воды, м3/с; t - период времени ос реднения, с; уп - коэффициент 1,1 введен для учета отложений донных на носов. ,
И, таким образом, Х.Ш.Шапиро [216] предлагает решать проблему заиления верхних бьефов ирригационных гидроузлов в рамках одномерной задачи. Ограниченность такого подхода для водотоков, имеющих соизмеримые масштабы в поперечном и продольном направлении, вполне очевидна.
Кроме того, структура формулы (2.20) не позволяет учитывать разницу в динамике осаждения и размыва наносов в различные фазы половодья: на подъеме волны половодья наблюдается размыв дна, а на фазе спада -аккумуляция наносов. Оценка суммарных деформаций русла может быть получена путем сложения величин слоя аккумуляции и слоя размыва донных грунтов, взятых с разными знаками. Отметим, что при равенстве геометрических характеристик поперечных профилей входного и выходного створов, расчеты по формуле (2.20) приведут к тому, что баланс размыва и отложений будет всегда равен нулю.
С проблемой транспорта наносов в ирригационных водохранилищах связана проблема общего размыва русла в нижнем бьефе гидроузлов. Отсутствие эффективных методов, позволяющих определять динамику мутности по длине водохранилища, значительно осложняет решение задачи о задании граничных условий для расхода взвешенных и донных наносов в створе гидроузла. Предложенные А.В.Караушевым [79], К.И.Российским и И.А.Кузьминым [169], Ц.Е.Мирцхулавой [134], А.Н.Гостунским [35], И.И.Леви [102], Н.Ф.Данелия [40], Г.А.Тер-Абрамянцем [193], Х.Ш.Шапиро [233], А.Г.Хачатряном [204] методы расчета общих деформаций русла не содержат указаний о способе задания граничных условий. Кроме того, авторы этих методов рекомендуют в расчетах использовать гидрологические данные о твердом и жидком стоке рек. Следовательно, проблема общего размыва русла в нижнем бьефе решается без учета транспорта наносов в верхнем бьефе, что заведомо исключает возможность получения достоверных результатов.
Принципиальное отличие методов Ш.Х.Шапиро и А.Г.Хачатряна от методов И.И.Леви, Н.Ф.Данелия, Ц.Е.Мирцхулавы и др. состоит в способе определения насыщения потока взвешенными и донными наносами. Достоинства и недостатки этих способов рассмотрены ниже. Отметим еще одно важное различие между двумя группами способов расчета: методы Х.Ш.Шапиро и А.Г.Хачатряна учитывают изменение фракционного состава донных отложений в процессе размыва, т.е. авторами работ [204] признается влияние отмостки на ограничение амплитуды русловых деформаций. Например, в работе [225] показано, что при расчетах общего размыва русла в нижнем бьефе гидроузлов необходимо определить конечные скорости, соответствующие конечным уклонам водной поверхности, при которых раз 45 мыв прекращается вследствие образования отмостки. Минимальная гидравлическая крупность грунтов отмостки wmiDq находится из формулы [233]: »и=0Д/; (2.21) где и\ - наибольшая взвешивающая скорость потока.
Толщина слоя "отмостки" после завершения процесса размыва русла в нижнем бьефе, согласно данным [233], не превышает 0,3-0,4 м.
Общий объем размыва до момента начала образования отмостки Х.Ш.Шапиро предлагает вычислять из формулы:
KpZiPn +Рп +Рм)0, -Ы, -86, где Кр - коэффициент, зависящий от времени эксплуатации водохранилища; уп - плотность наносов; рп,рТ2 -транспортирующая способность потока в отношении отдельных фракций взвешенных наносов: рп - соответствует диаметру наносов d 0,l мм; рп- соответствует диаметру наносов d = 0,10-0,05 мм; рч]2 - транспортирующая способность потока тех же фракций в отношении донных наносов; Q, - средний расход в реке за период дг,.
Анализ уравнения движения стационарного плоского взвесенесущего потока
При моделировании членов уравнения движения следует учитывать малые концентрации взвешенных твердых частиц в речных потоках и малые размеры самих взвешенных частиц.
Сопротивление тела, перемещающегося в потоке жидкости, может быть представлено формулой вида [272]: Р = ф1/ Аи + ф2р0с12(Аи)г, (3.6) где ф1 и фг- коэффициенты сопротивления при обтекании частиц; d - диаметр частиц; Дм - скорость движения твердых частиц относительно жидкости.
Анализ формулы (3.6) показывает, что с уменьшением размера частиц первое слагаемое правой части уравнения становится значительно больше второго. Пренебрегая величиной второго слагаемого в выражении (3.6), получим выражение для закона Стокса: F = 3nMud, (3.7) где ф\=Ък при обтекании шара безграничным потоком [18,191].
Многочисленные опыты показывают, например [258, 266, 276], что при больших числах Рейнольдса (RoiOOOO) коэффициент сопротивления остается постоянной величиной для частицы данной формы и не зависит от Re: ф = (ао/Ке) + 0о, где а0 =24, д, =0,45 - константы квадратичного сопротивления для шара. і Так, для окатанных гравелистых наносов при Re 104 в работе [248] коэффициент ф = \, что значительно отличается от значения ф = Ък, полученного из закона Стокса.
С другой стороны, в ряде работ [269] отмечается, что закон Стокса сохраняется с приемлемой точностью для частиц, имеющих диаметр в диапазоне 2-Ю"4 мм d W l мм, а при d \o x мм коэффициенты сопротивления дают отклонение от истинных значений около 5%. Учитывая небольшие значения диаметра взвешенных наносов в речных потоках (d 0,25 мм), в дальнейших построениях моделей можно с небольшой погрешностью принять значение ф = Ъл. Принимая во внимание наличие в речном потоке турбулентной диффузии, характеризуемой скоростью va равной: г. .. d In S Vs,=-?S T 3-8 можно записать осредненные сопротивления твердой фазы [279]: Я,.=З.ЗД4/ (С/а-[/(-Гя), (3.9) где у - коэффициент турбулентной диффузии двухфазной жидкости, иа, и І - скорости частиц твердой и жидкой фаз соответственно.
Физический смысл формулы (3.9) сводится к тому, что частицы, двигаясь вдоль равномерного потока, испытывают сопротивление, направленное снизу вверх, которое уравновешивается силой тяжести.
Вычислить значения относительной скорости движения твердых частиц с учетом диффузии практически невозможно. Однако для частиц, переносимых продольной составляющей скорости течения, скорость диффузии в этом направлении будет на порядок или два меньше скорости иа и и, [279].
Анализ относительных скоростей иа и и,, проведенный в работах, [178, 252, 265] свидетельствует о наличие закономерностей в изменениях разности этих скоростей (иа - и,). Так, в работе [279] рекомендуется следующая зависимость для вычисления разности и,-иа: - = 0,02 0,12, (3.10) где и - скорость движения двухфазной жидкости.
Значительный диапазон изменения эмпирического коэффициента (0,02-7-0,12) объясняется увеличением разности скоростей и,-иа с ростом диаметра твердых частиц. Для мелких частиц, диаметр которых совпадает с диаметром частиц, переносимых речным потоком во взвешенном состоянии, автор работы [279] предлагает принимать величину отношения равной: = 0,02, (3.11)
Тогда для сопротивления твердой фазы (л,) можно в качестве модели использовать выражение: Л, = 4,71 /і г 0,02[/ = 0,094prU. (3.12) При моделировании слагаемого [Ps sWs\U s2) ] полезно вос пользоваться равенством -U SXU S2&-U[U 2, которое справедливо для «невесомых» частиц [91, 135,137, 246].
Приняв допущение -U slU s2 -u;u 2, приходим к физической схеме, предложенной В.С.Таггартом и САЕрмоли [273], в которой течение взвеси представляется в виде сплошной среды с дискретно расположенными частицами. В этом случае система уравнений (3.5) примет вид: -A.\p S{u\U )\+gPsrS-Rx=Q, [pSS(Ui)2}-S -gPsS-R2=0, dx2 5 2 где ps - плотность двухфазной жидкости. (3.13) Система уравнений (3.13) остается незамкнутой - в двух уравнениях содержатся три неизвестных. Замкнуть уравнения можно, перейдя к одномерной задаче.
Согласно выводам работы [273], увеличение концентрации «невесомых» частиц (или при малых концентрациях взвеси) незначительно снижает уровень турбулентности (на 3-5%). Такой же результат был получен в работах [99, 178].
Основные принципы рационального распределения твердого стока по элементам оросительной сети
Состояние подводных переходов определяется качеством проектно-изыскательских и строительных работ, эффективностью мероприятий по предотвращению неблагоприятного размыва русла на участке подводного перехода трубопроводов, а также климатическими, геологическими и гидрологическими особенностями географических зон.
В настоящее время по данным ОАО «Газпром» около 220 переходов (350 ниток) требуют неотложного ремонта из-за негативного воздействия на них руслового процесса, что составляет около 20% от общего количества переходов трубопроводов через водные преграды на территории Российской Федерации. За десять лет эксплуатации магистральных газопроводов (1980 -1990 гг.) было зафиксировано 690 отказов по различным причинам: наружная коррозия труб, механические повреждения, дефекты и др. [33, 1216, 211]. Первопричиной отказов послужили оголения и провисания трубопроводов, вызванные русловыми деформациями на участках подводных переходов.
По данным В.В. Салюкова средняя интенсивность отказов за последние 20 лет составила 0,42 случая на 1000 км газопроводов в год, при этом средние потери газа от одного отказа равны 4 млн.м3 [180]. По мнению ряда исследователей [94, 104, 113] причиной аварий на переходах через реки в период эксплуатации являются русловые переформирования, интенсивность которых на участках переходов значительно выше, чем на участках рек, не затронутых строительством. Аналогичный вывод был сделан также в работах [15,120], в которых уровень русловых деформаций связывается с производством гидромеханизированных земляных работ на участке подводного перехода. При взаимодействии с речным потоком подводные переходы существенно изменяют русловой режим и вызывают переформирование русла. Строительство траншеи приводит к потере связности донными грунтами из-за вымывания пылеватых, глинистых и органических частиц.
Вследствие этого русловые процессы изменяют свою интенсивность и направленность. Тем не менее все это не нашло отражения в нормативной литературе. Согласно положениям работы [196] подводные трубопроводы относят к пассивным речным сооружениям и их воздействие на русловой процесс приводит лишь к локальному изменению некоторых характеристик определяющих факторов и не затрагивает коренной перестройки тела русла. Более того, нормативная база, основанная на гидроморфологической теории, не учитывает последствий разрушения отмостки при проведении строительных работ, что позволяет сделать вывод об ограниченности нормативных методик.
Нами показано, что разрушение отмостки в период производства строительных работ изменяет ход руслового процесса, для которого становится невозможным сделать прогноз переформирования русла с помощью нормативных методов [15, 120]. Для надежного прогнозирования хода русловых процессов при отсутствии естественной отмостки гидроморфологическая теория должна быть дополнена аналитическими методами, основанными на теории насыщения потока продуктами размыва грунта ложа реки [122,124, 221].
Отсутствие надежных прогнозных методов расчета глубины заложения трубопроводов на переходах через водные преграды приводит к необходимости проведения гидротехнических мероприятий, направленных на защиту подводных переходов от негативных воздействий русловых потоков. Для анализа существующих методов защиты выполним классификацию причин неблагоприятного развития русловых процессов (табл.5.1), используя данные работ [33, 94, 95,104,113, 158, 180, 194, 211, 240].
Анализ литературных источников позволяет выделить три группы основных методов защиты магистральных трубопроводов. К первой группе относятся методы экстренного предотвращения аварий. Защита осуществляется с помощью засыпки ям размыва грунтом и камнем, укладки мешков с цементно-песчаной смесью, дополнительного заглубления трубопровода методом подсадки [72, 95, 96,123,127,151].
Недостатком методов защиты, образующих первую группу, является возникновение вторичных русловых деформаций в зонах засыпки, приводящих в последующем к размыву трубопроводов на ближайших участках.
Ко второй группе следует отнести методы крепления береговых склонов каменной или гравийной наброской, бетоном, асфальтобетоном, и геотекстильным синтетическим материалом. Однако недостаточная экологическая надежность (асфальтобетон), деструкция полотна (геотекстиль) и высокая стоимость (бетон) ограничивают возможности использования этих методов в практике защиты.
К третьей группе относятся методы защиты трубопроводов с помощью русловыправительных сооружений, полузапруд, наносоудерживающих сооружений, сквозных и глухих шпор, продольных и поперечных дамб.
Необходимым условием устойчивости русловыправительных сооружений является согласованность схемы выправления участка реки с направленностью и интенсивностью руслового процесса в движении побоч-ней, развитии излучин, перемещении осередков и островов. Однако правильный прогноз переформирования речных русел и пойм в условиях их стеснения выправительными сооружениями выполнить довольно сложно. Поэтому эти сооружения недолговечны. Практика их эксплуатации показывает, что процесс их разрушения протекает довольно быстро: за несколько часов повреждения могут достигать размеров, которые соизмеримы с размерами самого сооружения. При этом следует подчеркнуть, что защита подводных переходов трубопроводов от размыва с помощью регуляционных сооружений требует больших капиталовложений.
Анализ опыта эксплуатации и защиты подводных переходов [15, 33, 95, 96, 104, 113, 120, 145, 158, 180, 194, 211, 240], показал, что методы диагностики состояния подводных переходов трубопроводов, позволяющие установить сроки проведения русловыправительных работ гидромеханизированным способом, нуждаются в существенной доработке.
Гидромеханизированные способы выправления русла в сочетании с использованием регуляционных сооружений широко применяются для улучшения судоходных условий. Состав и направленность работ при защите подводных переходов трубопроводов и работ, выполняемых с целью улучшения судоходных условий различны, а нередко и противоположны. Использование гидромеханизированного выправления русла в качестве способа защиты участков подводных переходов трубопроводов от русловых деформаций требует теоретического обоснования, на базе которого необходимо разработать целый комплекс методик, позволяющих прогнозировать развитие руслового процесса в условиях нарушенной отмостки и выбрать адекватные защитные мероприятия.
