Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях, при значительном
сокращении государственных инвестиций в область эксплуатации гидромелиоративных систем возникают значительные проблемы, связанные с разрушением важнейших элементов пиротехнических сооружений по причине водной эрозии. Это относится, в первую очередь, к водозаборам, аванкамерам, а также к объектам энергообеспечения мелиоративных систем - опорам линий электропередач, которые чаще всего устраиваются при пересечении рек в пределах пойм, причем наблюдается количественный рост их повреждений из-за подмыва (более 20%).
Указанные важные составные части мелиоративных систем находятся в сходных условиях сложного взаимодействия с обтекающим их водным потоком, сопровождающимся проявлением водной эрозии. Она выражается в образовании вблизи них локальных размывов в виде воронок, достигающих иногда значительных размеров в плане и глубины, причем наибольшая глубина размыва, как правило, находится непосредственно у верховой грани объекта. Иногда, при неправильном учете этого явления, объекты, подверженные указанному воздействию водного потока, могут терять свою устойчивость. Известны многочисленные случаи их разрушения.
В связи с развитием мелиорации построено большое количество водозаборов, оголовки которых размещаются в речном потоке. И они, а также и некоторые другие сооружения находятся в подобных условиях.
Основными проблемами для перечисленных сооружений при их проектировании и эксплуатации являются прогноз местного размыва и разработка мер по защите оснований от водной эрозии.
К настоящему времени предложено огромное количество формул для расчета глубины размыва, полученных, в основном, по данным экспериментальных исследований, сделаны попытки их обобщения с учетом положений теории моделирования, предложены формулы, основанные на обработке данных кадастра натурных наблюдений. Результаты обобщений имеющихся предложений свидетельствуют о том, что расхождение расчетных данных по разным формулам достигает десятков и сотен процентов. До сих пор продолжаются споры о причинах возникновения местных размывов у препятствий, находящихся в водном потоке, имеющиеся предложения недостаточно учитывают многие факторы, такие, например, как связность грунтов. Практически не рассмотрена специфика развития водной эрозии при обтекании препятствий бурным потоком.
Что касается второй проблемы, - защиты оснований препятствий от эрозии, то и она еще далека от радикального решения. До сих пор во всем мире применяются, в основном, пассивные методы защиты, сводящиеся к засыпке уже образовавшейся воронки размыва рваным камнем. Тем не менее, имеются и некоторые начальные свидетельства о возможности активного воздействия на набегающий поток с целью такой его трансформации, которая бы предотвратила
возможность развития водной эрозии.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА t 1
srstfm
Таким образом, можно заключить, что выбранная тема исследований продиктована практической потребностью для ряда отраслей народного хозяйства.
Исследования по теме диссертации выполнены в Саратовском
государственном техническом университете согласно комплексной программе
09В «Решение проблем архитектуры, строительства и транспортных
сооружений и коммуникаций Саратовского Поволжья», раздел 09В.02
«Совершенствование методов диагностики, расчета, проектирования,
строительства и эксплуатации транспортных сооружений», тема «Совершенствование дорожно-транспортных и коммунальных водопропускных и очистных сооружений».
Цель работы - улучшение условий эксплуатации инженерно-мелиоративных сооружений за счет усовершенствования методов защиты оснований сооружений (оголовков водозаборов, фундаментов опор и др.) от локальной водной эрозии и разработки новых их средств.
Задачи исследований
разработать классификацию методов защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений от локальной водной эрозии;
предложить усовершенствованную феноменологическую аналитическую модель потока со сдвигом, взаимодействующую с эталонным препятствием на плоском основании;
с помощью вычислительного эксперимента с использованием
результатов прецизионных измерений обосновать наличие основных
факторов, приводящих к локальной водной эрозии - отрыва
погранслоя и образования нисходящих течений;
предложить новые полуактивные способы влияния на локальную водную эрозию;
предложить новую активную методику защиты оснований препятствий от локальной эрозии;
разработать метод расчета предлагаемого устройства для активной защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений от локальной водной эрозии;
экспериментально проверить работоспособность предлагаемого
устройства при спокойном и бурном состоянии набегающего потока.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней с помощью усовершенствованной феноменологической аналитической модели обтекания цилиндра потоком со сдвигом показаны роль и размеры зоны отрыва и подковообразного вихря, а также нисходящих течений - основных факторов, совместно приводящих к локальной водной эрозии.
Предложена классификация методов защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений от размыва.
Впервые предложена новая форма защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений от подмыва, названная «гидроактивной».
Предложена методика расчета гидроактивного устройства для защиты от водной эрозии оснований опор, обтекаемых как спокойным, так и бурным потоками.
Впервые изготовлены модели гидроактивных устройств и проведены лабораторные испытания их работоспособности с положительным эффектом, в том числе и в перечисленных условиях.
Объект исследования - инженерно-мелиоративные сооружения, методы и способы их защиты от водной эрозии.
Методика исследований базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях. Теоретическое обоснование выполнялось с привлечением основных законов гидромеханики. Экспериментальные исследования проводились с соблюдением законов моделирования. Для проверки полученных результатов использовались как собственные опытные данные, так и данные прецизионных измерений других исследователей.
Практическая ценность работы заключается в предложенной инженерной методике защиты оснований гидромелиоративных, гидротехнических, энергетических, транспортных и водохозяйственных сооружений от локальной водной эрозии.
Научные положения, выносимые на защиту
Теоретические предпосылки и научное обоснование причин водной эрозии у оснований инженерно-мелиоративных сооружений.
Классификация методов защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений от водной эрозии.
Конструкции новых гидроактивных устройств для защиты оснований инженерно-мелиоративных сооружений.
4. Методика расчета гидроактивного устройства для защиты оснований.
Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций
Все научные положения и выводы по результатам исследований,
изложенные в диссертации, обоснованы, аргументированы, получены с использованием фундаментальных уравнений гидродинамики и достоверных, широко апробированных методов вьгаислительных экспериментов, а также сходимостью результатов работы с экспериментальными данными, в том числе и других авторов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:
на международных конгрессах:
конгрессе «ВОДА: экология и технология. ЭКВАТЕК-2000». Москва, 2000 г.;
конгрессе «ВОДА: экология и технология. ЭКВАТЕК-2004». Москва, 2004 г.;
29-м конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (IAHR). Пекин (Китай), 2001 г.; международном симпозиуме МАГИ (IAHR). С.-Петербург, 2002 г.;
на международных конференциях:
«Развитие народного хозяйства в Западном Казахстане: потенциал, проблемы и перспективы». Уральск (Орал), 2003 г.; «Гидравлика (наука и дисциплина)». С.-Петербург, 2004 г.; «Экологические проблемы промышленных городов».Саратов, 2003 г.; «Высшее профессиональное и заочное образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее». Саратов. 2001 г.;
на Совете Международного института по гидроинформатике (final report). Delft, Netherlands, 2003 г.; на ежегодных научно-технических конференциях СГТУ в 2000...2002 гг. Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 18 печатных работ общим объемом 4,3 печатных листа. Их них - 0,4 листа в соавторстве.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 163 наименований, в том числе 57 на иностранных языках и 8 приложений. Общий объем диссертации: 213 страниц, в том числе 72 рисунка, 17 таблиц.
