Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ факторов, влияющих на канализирование речного русла
1.1. Судоходное состояние рек и антропогенная нагрузка на речное русло
1.2. Анализ современных русел рек 16
2. Анализ исследований в области русловых деформаций и их влияние на грузопропускную способность рек
2.1. Исследования руслоформирующих процессов рек 21
2.2. Параметры устойчивости естественных и канализированных русел судоходных рек 38
2.3. Исследование влияния дноуглубления на сезонные деформации перекатов 41
2.4. Образование грядового рельефа в прорези и его влияние 45 на судоходное состояние реки
2.5. Анализ изменения судоходных глубин для прохождения крупнотоннажных судов и составов 52
2.6. Современные подходы к обоснованию гидравлически допустимых глубин 55
3. Исследование влияния канализирования на основные параметры русла (на примере р. Волги и нижней оки)
3.1. Влияние дноуглубительных работ на изменения параметров живого сечения русел 73
3.2. Влияние увеличения гарантированных глубин на степень устойчивости и сезонные деформации перекатов 77
3.3. Влияние параметров судоходной прорези на кинематику потока 84
Исследование связи объемов дноуглубительных работ с гарантированными глубинами 89
4. Разработка методических положений оценки влияния антропогенных факторов на канализирование и повышение грузопропускной способности русла
Классификация судоходных глубин по гидравлике потока и грузоподъемности судов 93
Разработка метода определения предельно допустимых судоходных глубин канализируемого русла 97
Разделение объемов дноуглубления на составляющие
Геометрический объем дноуглубления 105
Гидравлический объем дноуглубительных работ 110
Разработка математической модели и программы опреде ления геометрического объема дноуглубительных работ 116
Метод расчета заносимости судоходной прорези после ее разработки 120
Математическая модель исследования кривых свободной поверхности при канализировании русла 125
Модельные исследования кривой свободной поверхности перекатного участка 134
5 . Исследования влияния канализирования русла реки волги (городец - н. новгород) и нижней оки на провозную способность флота
Исследование зоны понижения уровня при канализиро вании 140
Определения геометрического объема дноуглубительных работ 148
Заключение 154
Использованная Литература 157
Приложения
- Параметры устойчивости естественных и канализированных русел судоходных рек
- Влияние увеличения гарантированных глубин на степень устойчивости и сезонные деформации перекатов
- Разработка метода определения предельно допустимых судоходных глубин канализируемого русла
- Определения геометрического объема дноуглубительных работ
Введение к работе
Реки, озера и моря с незапамятных времен служили путями торговли, передвижения людей. Созданные природой эти естественные водные пути занимают доминирующее место в общей сети водных сообщений.
Искусственные водные пути, каналы и шлюзованные системы получили развитие лишь в последние два-три столетия и, несмотря на быстрый рост, составляют по длине небольшую долю всего протяжения водных путей, а естественные водные пути по-прежнему составляют значительную часть всех внутренних водных путей России.
В прошлом, при отсутствии дноуглубительного технического флота обеспечение судоходства ограничивалось лишь минимально необходимым для судоходства составом путевых работ, состоявших в указании границ и направлении судового хода навигационными знаками и в очистке судового хода от случайных препятствий - камней, карчей и т.п. На ранних этапах развития речного транспорта габариты судов были невелики, что сказывалось и на их грузопровозной способности. Размеры судов предопределяли гарантированные габариты судового хода, которые даже на крупных реках имели незначительные размеры. Наиболее важным габаритом, влияющим на грузопропускную способность пути, является глубина. Поэтому главная цель современных путевых работ состоит в углублении судового хода и его уши-рении (увеличении ширины судового хода на поворотных участках рек). На реках, остающихся в естественном состоянии, это достигается в основном с помощью дноуглубительных и, частично, выправительных работ.
Увеличение судоходной глубины спровоцировано необходимостью создания благоприятных условий для эксплуатации крупнотоннажных судов и составов.
В этой ситуации особую значимость приобретает проблема согласованности между габаритами судов и судового хода. Здесь значителен вклад ученых Волжской академии: Ваганов Г.И. [23], Малышкин А.Г. [69], Рыжов Л.М. [89], Новосибирской академии - Дегтярев В.В. [40], Зачесов В.П. и многие другие. Однако работы ученых в большей степени были связаны с обоснованием возможных плановых габаритов толкаемых составов, учет параметров глубины рассмотрен не в полной мере.
Вторая половина XX века ознаменовалась интенсивным преобразованием человеком природы. В числе объектов антропогенного воздействия видное место занимают реки. По естественным габаритам русла даже крупные реки не пригодны для плавания современных крупнотоннажных судов и составов. В этой связи по мере увеличения грузоподъемности флота усилия человека были направлены на углубление многочисленных перекатов, спрямление крутых извилин. Для достижения поставленных целей велись и ведутся интенсивные дноуглубительные работы. Значительное увеличение объема землечерпания для обеспечения нормированных глубин объясняется интенсивными русловыми переформированиями как естественного происхождения, так и спровоцированными дноуглубительными работами.
В ряде случаев интенсивные дноуглубительные работы существенно изменили параметры русел рек, превратив их в «неоформленные каналы». Происходит так называемое «канализирование» русла реки. При грамотном подходе канализирование русла благотворно влияет на провозную способность флота, повышая ее. Однако, из-за недостаточно разработанного расчетного обоснования интенсивные мероприятия по увеличению глубин нередко сопровождались негативными последствиями: значительной посадкой уровня воды в реке, снижением уровня грунтовых вод на пойме, непредсказуемыми деформациями самого русла.
К настоящему времени проблема канализирования речных русел рек изучена недостаточно. Отсутствуют критерии взаимосвязи расхода воды, объема дноуглубительных работ и судоходной глубины в реках, которые своими параметрами приближены к форме канала с целью возможности роста грузоподъемности флота. Планомерной работе по улучшению судоходной ситуации посвящены работы Сазонова А.А. [90-92], Самогина Б.А. [93], Фролова Р.Д. [100-103].
Заметный вклад в решение ряда важнейших задач, связанных с параметрами русла, внесли Антроповский В.И. [6], Беркович К.М. [15], Гришанин К.В. [36], Дегтярев В.В. [38], Кустов Л.И. [54-57], Маккавеев Н.И. [64], Попов И.В. [75], Ржаницын Н.А. [81], Российский К.И. [82], Серебряков А.В. [94-95], Снищенко Б.Ф. [97-98], Чалов Р.С. [104], Чернышов Ф.М. [111], Ша-таева С.Г. [114], Knighton D. [122], Stivens М.А. [129] и другие. Этими учеными дается решение многих теоретических и практических вопросов, связанных с русловыми процессами. В исследованиях большинства перечисленных авторов устанавливается связь между параметрами русла, расходами воды и уклонами свободной поверхности. Однако, в течение навигации расходы и уклоны не остаются постоянными, что не позволяет однозначно определить ширину и глубину русла.
Вопросами, связанными с устойчивостью речного русла занимались такие ученые, как Великанов М.А. [25], Журавлев М.В. [45-46], Маккавеев Н.И. [62], Ржаницын Н.А. [81], Шатаева С.Г. [114], Чалов Р.С. [108] и т.д. В результате проведенных анализов и расчетов появилось большое число коэффициентов устойчивости русел.
Большой вклад в области исследований кривых свободной поверхности внесли Бахметьев Б.А. [12], Гладков Г.Л. [27], Гришанин К.В. [32], Дол-гашов В.А. [41], Журавлев М.В. [46], Липатов И.В. [59], Ржаницын Н.А. [79], Сазонов А.А. [91], Серебряков А.В. [96], Чернышов Ф.М. [108], Чугаев P.P. [112] и др. При этом особую значимость имеют исследования Гладковым Г.Л. вопроса о степени распространения влияния дноуглубительной работы на вышележащие перекаты.
Целью работы является регламентация понятий естественной, судоходной (промежуточной), гидравлически допустимой, предельно допустимой глубин судового хода и обоснование границ между ними, а также введение критерия, позволяющего оценить степень перестройки русла в результате дноуглубительных работ, прогнозировать последствия вмешательства в естественный режим рек с целью увеличения грузопропускной способности судоходной реки.
Учитывая изложенное, автор в диссертационной работе исследует и решает следующие конкретные задачи:
- определение изменения устойчивости русел при существенном увеличении транзитной судоходной глубины в результате интенсивных дноуглубительных работ;
- обоснование допустимых значений глубин судового хода с целью увеличения пропускной способности пути;
- разработка метода расчета объемов дноуглубительных работ, обеспечивающих достижение требуемой глубины судового хода и нахождение связи между объемом работ и возможным ростом грузоподъемности судов;
- определение степени влияния дноуглубления на посадку уровня воды.
Научная новизна работы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в регламентации понятий естественной, судоходной, гидравлически допустимой, предельной судоходной глубин судового хода, позволяющих прогнозировать последствия антропогенного воздействия на гидравлический и русловой режим рек. В работе для оценки степени канализирования русла предложено и обосновано новое понятие предельной глубины судового хода, при которой дальнейшее углубление переката равноценно посадке уровня воды на нем. Разработан метод определения предельной судоходной глубины для повышения грузопропускной способности участка пути. В работе получена формула для определения заносимости судоходной прорези в канализированном русле.
Объектом исследования являются участок реки Волги г. Городец -г. Н. Новгород, реки Оки г. Дзержинск - г. Н. Новгород. Дополнительно рас 9 смотрены по существу канализированные участки рек Верхняя Лена, Обь ниже Новосибирска, Белая (Уфа - Груздевка).
Предметом исследования являются геометрические параметры углубления перекатных участков, их гидравлический режим и соотношение с габаритами транспортного флота.
В процессе планомерного увеличения судоходных глубин и соответствующего наращивания объемов дноуглубительных работ типичные для равнинных рек формы русла приобретают необратимые изменения. Гребни перекатов понижаются и значительно ослабляются их «подпорные функции». Отметки побочней повышаются, что приводит к увеличению гидравлического радиуса.
Таким образом, изменение параметров русла - его канализирование в целях судоходства существенно отражается на гидравлическом режиме реки.
Неоправданно большое углубление перекатов на значительных участках рек может привести к общей посадке уровня воды. И хотя транзитные глубины в русле будут увеличены, на акваториях портов они могут снизиться, негативно влияя на движение флота.
Методы исследования. В процессе работы применялись методы модельных испытаний, моделирования с использованием пакета программ для решения инженерных задач, связанных с гидравликой потока STAR-CD, численной обработки результатов исследований, построение графических зависимостей.
Автор выражает благодарность за оказание методической помощи в освоении решения задач с помощью пакета STAR-CD к.т.н., доценту кафедры Водных путей и гидротехнических сооружений ВГАВТ Липатову И. В.
Практическая ценность и реализация результатов.
Практическая ценность исследований заключается в разработке рекомендации по увеличению предельной судоходной глубины без серьезных отрицательных воздействий на русловой и экологический режим, что позволяет повысить грузопропускную способность незарегулированных участков рек.
Исследования автора могут быть использованы Государственными Бассейновыми Управлениями водных путей при констатации степени превышения достигнутых глубин над гидравлически допустимыми и обоснования резерва границ возможного увеличения габаритов судового хода. Результаты исследований могут быть использованы проектными организациями при разработке генеральных схем улучшения судоходного состояния рек. Выявленная возможность дальнейшего увеличения судоходных глубин благоприятствует повышению провозной способности флота и может учитываться при строительстве судов повышенной грузоподъемности.
Апробация работы. Основное содержание диссертации изложено в 5 печатных работах, опубликованных в сборниках научных трудов ВГАВГ (г. Н.Новгород), МГУ (г. Москва).
1. Лёзина Ю.Е. Канализирование русла реки в результате интенсивных дноуглубительных работ (На примере участка реки Волги Горьковская ГЭС - Н.Новгород). Сборник трудов «Динамика потоков и эрозионно-аккумулятивные процессы». М.: МГУ, 2000.
2. Лёзина Ю.Е. Трансформация поперечного сечения русла в условиях интенсивных дноуглубительных работ. Сборник трудов к 70-летию ВГАВТ, 2000.
3. Лёзина Ю.Е. Анализ роста дноуглубительных работ в результате увеличения гарантированной глубины. Сборник трудов «Экология и безопасность эксплуатации судов и водных путей», вып. 298. Н.Новгород: ВГАВТ, 2001.
4. Лёзина Ю.Е., Фролов Р.Д. Сплайн-аппроксимация продольного профиля переката. Сборник трудов «Экология и безопасность эксплуатации судов и водных путей», вып. 298. Н.Новгород: ВГАВТ, 2001.
5. Воронина Ю.Е. Изменение судоходного состояния рек в результате канализирования русла. Сборник трудов «Динамика овражно-балочных форм и русловые процессы». М.: МГУ, 2002. Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и выводы, приложения, рисунки, таблицы, изложенные на 181 страницах, список литературы содержит 134 наименований.
Параметры устойчивости естественных и канализированных русел судоходных рек
Степень устойчивости русла является важной его характеристикой, отражающей характер взаимодействия руслового потока и грунтов, слагающих берега и дно реки, а в интегральном виде - интенсивность переформирований русел во всем многообразии этого явления. Устойчивое в динамическом смысле русло характеризуется сохранением в пределах протяженного участка в течение длительного времени своих основных размеров и положения на местности в условиях относительной стабильности расхода наносов по длине реки [37]. Представляет интерес исследование изменений степени устойчивости русла в результате увеличения глубины судового хода путем дноуглубительных работ. Далее ряд исследователей (Шильдс [126], Великанов М.А. [25], Ван-Шу-Хуа [24], Маккавеев Н.И. [62], Ибад-Заде Ю.А. [48]) вносили в показатель устойчивости некоторые дополнительные факторы, которые по их мнению лучше отражали существо явления. В итоге появился ряд однотипных зависимостей (табл. 2.1) Система «речной поток - русло» включает в себя русловые процессы и сток наносов. Естественный поток обладает способностью в широких пределах изменять свою транспортирующую способность в зависимости от фазы режима, количества и состава поступающих в него наносов путем значительных изменений морфологического строения русла и поймы, в том числе за счет формы поперечного сечения русла, изменения соотношения ширины и глубины русла. Перекат представляет собой обширное скопление донного материала, которое, перекрывая меженное русло по всей его ширине, уменьшает глубины потока по сравнению с выше- и нижележащими участками. Реки с побоч-невым типом руслового процесса имеют повышенную интенсивность транспорта наносов. На участках рек с побочневым процессом часто объединенные группы перекатов следуют один за другим так, что нижний побочень одного переката служит верхним побочнем следующего. Перекаты в реках приурочены к определенным местам русла и долины и сохраняются в этих местах длительное время. Располагаясь группами, они образуют так называемые перекатные участки. Для переформирований перекатов характерна ясно выраженная цикличность. При перегрузке потока наносами в ходе половодья они откладываются в основном на перекатах, что приводит к интенсивному росту их гребней, иногда достигающих на больших реках несколько метров. После прохождения пика половодья, когда в русла рек начинает поступать осветленная вода, т.е. транспортирующая способность потока оказывается больше расхода наносов, поступающих в реки, наблюдается обратный процесс - размыв гребня перекатов. Этот процесс продолжается и в последующую летне-осеннюю межень. Таким образом, сезонные высотные деформации гребней перекатов определяются объемом поступления наносов и обуславливают изменение площадей сечения плесовая лощина - перекат при различных уровнях.
В результате вмешательства в русловой процесс путем дноуглубления человек изменяет соотношение ширины и глубины русла значительно углубляя последнее, а с помощью многолетних отвалов грунта уменьшая ширину русла. Попытки русла вернуться в естественное состояние не всегда успешны из-за повторного дноуглубления в очередную навигацию. Наносы, поступающие в русло не успевают занести прорези, а в течение нескольких лет, последовательно углубляя один и тот же участок реки, человек заставляет русло «подчиниться», сглаживая разницу в системе «плес - перекат» и приближая русло к форме канала. При разработке прорези землесосом отвал грунта производится на по-бочни или примыкает к ним. При работе многочерпаковыми земснарядами отвал производится в прибрежные зоны плесовых лощин. Большинство транзитных прорезей на равнинных реках разрабатываются землесосами. Это приводит к тому, что с течением времени различие в площадях живого сечения плесовых лощин и перекатов при весеннем половодье сглаживаются, поэтому разница в скоростях течения по длине русла сглаживается и аккумулирование наносов на гребне перекатов уменьшается. В меженный период соответственно также изменяется транспортирующий режим наносов. В итоге неравномерность течений по длине реки снижается и гидравлический режим реки приближается к гидравлике канала. С вступлением в действие нового фактора «дноуглубление» речной поток подстраивается под этот новый фактор, и саморегуляция потока происходит под воздействием постоянного дноуглубления - как постоянного фактора.
После разработки судоходной прорези дно в продольном направлении приобретает относительно ровный характер. Однако, в последующем при некоторой скорости течения Uo на дне образуются гряды, в итоге уменьшающие достигнутую глубину. Это обстоятельство является одним из факторов «потери» глубины, что влечет за собой понижение провозной способности флота. Параметры гряд, интенсивность их формирования и деформации зависят от скорости течения воды и при изменении гидравлики потока могут претерпевать изменения. От размеров песчаных волн-гряд зависит гидравлическое сопротивление русла. Перемещение гряд по течению является основной формой стока влекомых наносов.
Согласно современным воззрениям, основанным на широких экспериментальных данных [70], характер движения жидкости в турбулентном русловом режиме имеет вид больших вихрей с осями, нормальными к плоскости осредненного движения. Поперечные размеры вихрей, по порядку величины, близки к глубине потока. Вихри движутся один за другим, образуя вихревую цепочку. От больших вихрей в толщу потока образуются многочисленные мелкие вихри высокой интенсивности, которые находятся около поверхности дна. Крупномасштабные колебания скорости в придонном слое обусловлены движением больших вихрей: когда в заданном сечении располагается центр вихря, продольная скорость у дна имеет минимум; когда это сечение оказывается в промежутке между вихрями, продольная скорость достигает максимума. Чтобы установить, как деформируется дно под действием крупномасштабных пульсаций продольной скорости, Гришаниным К.В. [34] была схематизирована описанная картина следующим образом. Рассмотрен поток бесконечной глубины и бесконечного протяжения, вся завихренность которого сосредоточена в цепочке равноотстоящих друг от друга вихревых нитей равной интенсивности. Полагая глубину потока бесконечной, удовлетворяются условия, имеющиеся при формировании песчаных гряд ветром. Что касается открытого потока, то справедливость теории зависела от расположения вихрей по глубине потока.
Влияние увеличения гарантированных глубин на степень устойчивости и сезонные деформации перекатов
Для возможности прогноза роста объемов дноуглубительных работ в условиях планомерного увеличения гарантированной глубины, необходима оценка характера изменений устойчивости русла. При этом представляет определенный интерес возможность установления динамики изменения соотношения между объемами первичных и повторных дноуглубительных работ. Очевидно, что повторные (ремонтные) дноуглубительные работы в большей мере, чем первичные, зависят от степени устойчивости русла. За последние 4-5 десятилетий особенно интенсивный рост гарантированной глубины наблюдался на участках реки Волги - Горьковская ГЭС - г. Н. Новгород и реки Оки от г. Дзержинска до Устья. В дальнейшем анализу подвергнуты именно эти участки рек. Анализ изменения степени устойчивости русла по формулам, предложенным Н.И. Маккавеевым, И.Ф. Карасевым и К.В. Гришаниным при различной глубине, достигаемой на типовых перекатах показывает, что с увеличением судоходной глубины повышается и устойчивость русла. Отвалы в поперечном сечении разделяют профиль на 2 зоны. Первая зона - в границах выемки грунта до уложенного отвала. Вторая - прибрежная, в пределах которой и располагаются отвалы грунта. В результате дноуглубительных работ поперечное сечение на перекате приобретает форму более крутой параболы (зона 1). Выемка грунта в зоне судового хода (зона 1) при планомерном наращивании глубины осуществляется в грунтах более плотного сложения, за счет чего деформация прорези уменьшается и устойчивость русла увеличивается. Многолетние прибрежные отвалы грунта при прочих равных условиях уменьшают крутизну прибрежных склонов русла реки (зона 2). Способность потока транспортировать наносы определяется значением касательного напряжения на дне, т.е. значением динамической скорости V, = Jyp = yjghl.
Причем на основании имеющихся формул расхода наносов можно считать, что эта способность пропорциональна V?. В канализированных руслах скорость течения и касательные напряжения в зоне 2 оказываются меньше, чем в русле реки до проведения дноуглубительных работ. При этом ширина полосы подводного прибрежного откоса, провоцирующего «сползание» донных частиц в канализированное русло также становится меньше, чем в естественном. Выйдя из состояния покоя, частица под действием составляющей силы тяжести Ga = G-sin а, направленной по откосу, начинает смещаться вниз и после ряда подвижек оказывается у подошвы откоса. Этого при канализировании русла не происходит, частицы, находящиеся на откосе становятся более устойчивыми, т.к. сила Ga уменьшается с нарастанием отвала грунта. Исходя из анализа изменения показателей устойчивости (или степени деформируемости) русла можно сделать следующий вывод. При относительно длительном сохранении неизменной гарантированной глубины устанавливается достаточно стабильное соотношение между объемами первичных (восстановительные прорези) и повторных (ремонтные прорези) дноуглубительных работ. Планомерное и достаточно динамичное увеличение гарантированной глубины нарушает это соотношение. Наряду с ростом объемов первичных работ, обусловленных геометрическими параметрами прорези, увеличивается объем и повторных работ. В последующем, благодаря увеличению устойчивости частиц грунта на прибрежных склонах дна из-за трансформации поперечного сечения, удельный вес повторных работ снижается. Повышенная устойчивость канализированного русла сохраняет габариты судового хода, что благоприятно влияет на грузопровозную способность флота.
При проведении путевых работ наибольшее значение имеет учет ежегодно повторяющихся циклов намыва и размыва перекатов. Во время стояния высоких половодных уровней, когда расход русловых наносов достигает максимальных значений, на большинстве перекатов происходит отложение наносов. Плесовые лощины в это время размываются. При спаде половодья и в межень на перекатах идет размыв, а в плесовых лощинах - аккумуляция наносов. Ежегодно весенняя заносимость перекатов обусловливает необходи 81 мость в ежегодных дноуглубительных работах, то есть, по существу, предопределяет организацию транзитного дноуглубления. На реках, режим которых близок к естественному (при отсутствии интенсивного дноуглубления) имеет место четко выраженное различие в площадях живого сечения плесовой лощины и переката. После вторжения в русловой режим реки путем дноуглубительных работ это различие уменьшается. На участке Городец - Нижний Новгород была исследована типичная связь зависимости площади живого сечения от уровней воды. Анализ графиков показывает, что разница между площадями живого сечения переката и плесовой лощины сохраняется, но при одном и том же уровне воды с годами она уменьшается. Прослеживается закономерность уменьшения разницы в глубинах на перекатах и в плесовых лощинах с годами. Наблюдаемая закономерность позволяет сделать вывод, что дноуглубление влияет на гидравлику протекания потока через плесовую лощину и перекат. Происходит выравнивание скоростей по длине потока, что ведет к стабилизации транспорта наносов и меньшему их отложению на перекате весной.
Разработка метода определения предельно допустимых судоходных глубин канализируемого русла
Русло реки реагирует на изменения основных факторов руслоформи-рования - стока воды и наносов. Скорость реакции русла зависит от его подвижности и особенностей русловых форм разного масштаба. Так, естественная трансформация формы русла и продольных профилей равнинных рек, таких как Волга или Ока, протекает относительно медленными темпами. Это связано с тем, что вначале на изменившиеся условия реагируют рельеф дна и поперечное сечение русла и только затем продольный профиль. Под естественной глубиной условно можно считать долговременно не менявшуюся глубину. Для рассматриваемых участков рек можно считать, что такая глубина соответствует периоду 1945 - 1955 годам. В эти годы работы по дноуглублению производились лишь для поддержания ранее достигнутой глубины.
Под искусственной механической измененностью русла понимается изменение поперечного сечения (размеров и форм) и руслового рельефа дна в результате проведения интенсивных дноуглубительных работ и разработки русловых карьеров. Необходимость интенсификации дноуглубительных работ и потребность увеличения естественной глубины была обусловлена ростом грузооборота и целесообразностью использования крупнотоннажных судов и большегрузных составов. Появились суда грузоподъемностью до 5000 т. Достигнутую в результате этого глубину можно считать «современной глубиной». Такая глубина соответствует периоду 1960 - 1990 гг., когда объ 94 ем дноуглубительных работ равномерно рос с увеличением глубины судового хода. Загрузка судов также планомерно увеличивалась с ростом гарантированных глубин. При дальнейшем увеличении глубин продолжал расти и объем работ. Было введено понятие «гидравлически допустимая глубина». Гидравлически допустимой (по Гришанину К.В. ) называют такую глубину, при которой посадка уровня воды минимальна, т.е. не превышает 0,1 м [32]. Отсюда К.В. Гришаниным введено ограничение по гидравлически допустимым глубинам. Удобной характеристикой степени деформируемости дна была принята величина М (см. п. 2.2). С помощью этой величины и отношения hr/hcp было предложено нахождение допустимого относительного приращения глубин. Однако утверждение о допустимой посадке воды 0,1 м нуждается в некоторой увязке с параметрами русла и потока. На реках, где hr=l м посадка 10 см - 10% (см. п. 2.6), что чревато последствиями, где hr=4 м — 10 см - 3%, что по-видимому допустимо. В.В. Дегтярев [38] предложил принимать за максимально допустимую по гидравлическим условиям глубину, равную нормальной глубине потока, которая устанавливается в русле правильной параболической формы при определенном уклоне свободной поверхности и заданном расходе воды. Эта величина является условной, т.к. в природе практически не встречается правильных поперечных сечений русла. Согласно формулировке Н.А. Ржаницына [81], под гидравлически максимально возможной глубиной понимается глубина судового хода, эквивалентная нормальной глубине потока в русле, имеющем ту же ширину по дну, что и ширина судового хода при уклоне свободной поверхности, равном уклону данного участка реки или реки в целом. Однако это понятие непосредственно относится лишь к трапецеидальным и прямоугольным формам живых сечений речных потоков. На самом же деле русло имеет в основном форму параболы и переменную ширину по дну реки.
Как известно, геометрические формы живых сечений русел свободных рек весьма разнообразны, причем каждой реке присуща своя преобладающая форма живого сечения, описываемая конкретным уравнением. При 95 менительно к руслам различных форм поперечных сечений понятие о гидравлически возможной максимальной глубине, данное определение Н.А. Ржаницына, можно сформулировать как теоретический предел наибольшей глубины судового хода /?c.XA a a- при установлении нормальной глубины в призматическом русле с минимальным модулем расхода K и такого профиля, в который вписывается прямоугольник судоходной трассы площадью, равной произведению ширины судового хода на глубину {Ьс.хЬс.хмак ). Иначе говоря, оптимальный профиль призматического русла должен обладать свойством, чтобы при наименьшем из всех возможных расходов обеспечивались габариты судового хода bCJChc.XJmKC. Таким образом, четкой границы гидравлически допустимой глубины не имеется. Существует некая «размытая» зона, в границах которой находится это понятие. Условной аналогией может служить и передвижение потоком наносов с двумя границами — неразмывающая и размывающая скорости течения, разделенные коэффициентом 1,3. По достижении гидравлически допустимой судоходной глубины гидравлические параметры потока претерпевают изменения, достаточно четко проявляется посадка уровня воды. Однако, и в этом случае пока отсутствует универсальная для разных рек и четкая граница этого понятия. Очевидно, что при продолжении углубления русла и уже явной посадке уровня (за пределами гидравлически допустимой) приращение судоходной глубины все-таки еще достаточно реально. Подобное увеличение судоходной глубины при явной (и порой существенной) посадке уровня возможно при условии экономической целесообразности и экологической безопасности. То есть в тех случаях, когда существенная посадка не вызовет потери глубины на акваториях причалов, судостроительных и судоремонтных заводов, не оголит водозаборные сооружения, в результате понижения уровня грунтовых вод не вызовет негативных последствий на пойме. По-видимому, это возможно на вновь осваиваемых для судоходства реках мало обжитых районов Сибири и на от 96 дельных участках освоенных рек при условии надлежащего расчетного обоснования.
Определения геометрического объема дноуглубительных работ
Научные исследования диссертанта направлены на определение возможной перестройки русла в результате дноуглубительных работ с целью увеличения грузопропускной способности водных путей в результате их ка-нализирования. В 1960-80 гг. произошло существенное обновление речного флота судами повышенной грузоподъемности и увеличенных габаритных размеров. Одновременно перед работниками пути была поставлена задача о планомерном увеличении гарантированных габаритов судового хода. На первом этапе этих дноуглубительных работ при относительно небольших габаритах судоходных прорезей гидравлический режим речного потока практически не претерпевал изменения. По мере увеличения габаритов судового хода стали заметны некоторые изменения в гидравлике потока. В процессе дноуглубления выявилась посадка уровня воды. Была предпринята попытка введения понятия гидравлически допустимой глубины. Однако это понятие не характеризуется достаточно четкими параметрами. В современных условиях, на ряде рек достигнутая гарантированная глубина существенно превышает эту гидравлически допустимую. В результате выравнивания глубин по длине реки (плес -перекат) и изменения формы поперечных сечений произошло канализирова-ние русел ряда рек с существенным изменением гидравлики речного потока. Данная ситуация не нашла надлежащего освещения в рамках научного исследования. На участках ряда рек современная гарантированная глубина превышает ранее принятое понятие «гидравлически допустимой» глубины. При этом, в отдельных случаях не исключена возможность еще некоторого увеличения глубины судового хода. Целью диссертационной работы является регламентация допустимых параметров дноуглубления для достижения максимальных глубин с точки зрения повышения грузопропускной способности незарегулированного участка реки.
Основными результатами диссертационной работы, имеющими практическую ценность, являются: впервые введено понятие «предельно допустимой судоходной глубины», при достижении которой величина углубления переката равноценна посадке уровня воды на нем, а увеличение грузопровозной способности флота за счет роста осадки судов невозможно; впервые введено понятие «коэффициента, учитывающего изменение гидравлики потока при различной высоте гребня переката» с возможностью определения степени канализирования русла и оценки «расстояния», оставшегося до предельной; проведено исследование роста объемов дноуглубительных работ с увеличением гарантированной глубины судового хода с целью повышения эффективности использования транспортного флота; сделан факторный анализ величин, влияющих на заносимость прорези для нахождения гидравлического объема дноуглубления; предложен метод определения геометрического объема дноуглубления для различной величины снимаемого слоя с помощью вычислительной техники; впервые произведен анализ заносимое прорезей с последующей возможностью предопределения необходимых работ для поддержания судового хода; установлено расстояние между двумя соседними перекатами, когда углубление нижележащего не влияет на верхний перекат с целью назначения очередности углубления смежных перекатов.
Проведенные исследования русел рек показали, что в ряде случаев интенсивное углубление перекатов ведет к канализированию русел, то есть происходит сглаживание различий в параметрах в плесовой лощине и на перекате. Подобное увеличение судоходной глубины может повлечь за собой существенную посадку уровней воды, что экономически не целесообразно и экологически небезопасно. При разумном и грамотном канализировании русла и расчетным обоснованием можно достичь положительного эффекта в увеличении объемов перевозок. Результаты выполненных в диссертации научных исследований найдут практическое применение при определении объемов дноуглубительных работ, требуемых для поддержания гарантированной глубины судового хода, а также для оценки эффективности работы флота. Выявленная возможность дальнейшего увеличения судоходных глубин благоприятствует повышению провозной способности флота и может учитываться при строительстве судов повышенной грузоподъемности. Научные положения диссертационной работы были одобрены на научно-технических конференциях ВГАВТ, Пермского Государственного Университета, Вологодского Технического Университета.
