Содержание к диссертации
Введение
Русловые карьеры и особенности гидравлического обоснования с учетом обеспечения судоходных условий 7
1.1. Влияние карьеров на судоходные условия рек 7
1.2. Особенности гидравлического обоснования при проектировании русловых карьеров 17
Экспериментальные исследования влияния карьеров НСМ на гидрологический режим судоходных рек 19
2.1. Цель проведения экспериментальных исследований 19
2.2. Лабораторные исследования 20
2.3. Натурные исследования 37
Теоретические исследования влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные уcловия рек 43
3.1. Построение планов течений и положения свободной поверхности воды на участке 43
3.2. Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судовые условия однорукавных участков рек 66
3.3. Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия многорукавных участков рек 73
Итоги внедрения полученных рекомендаций в практику проектирования русловых карьеров Заключение 90
Литература 93
- Влияние карьеров на судоходные условия рек
- Особенности гидравлического обоснования при проектировании русловых карьеров
- Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судовые условия однорукавных участков рек
- Итоги внедрения полученных рекомендаций в практику проектирования русловых карьеров
Введение к работе
Представленная работа выполнена на кафедре Водных путей и гидравлики Новосибирской государственной академии водного транспорта в период с 1994 по 1998 годы. Тема диссертационной работы утверждена Ученым советом академии,как связанная с тематическими планами развития отраслевой науки. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях кафедры. Натурные наблюдения и практическая проверка рекомендаций осуществлялась в Обском, Иртышском и Енисейском бассейнах.
Необходимость выполнения данной работы объясняется тем, что освоение нефтегазоносных месторождений Сибири и последующее строительство автомобильных и железных дорог, а также промышленных и гражданских объектов, требует увеличения добычи нерудных строительных материалов (НСМ), заставляет разведывать и осваивать все новые и новые русловые карьеры НСМ, обеспечивая при этом требуемые судоходные и экологические условия.
К концу 80-х годов годовой объем добычи НСМ на реках России составлял 190 млн.м3 . При этом более двух третей НСМ добывается из русловых карьеров, которые оказывают существенное влияние на русловой процесс и, как следствие, на судоходные условия. Обеспечение нормального функционирования речного транспорта не возможно без осуществления комплекса путевых работ. Их проведение на участках расположения русловых карьеров НСМ имеет ряд особенностей, поскольку в результате выемки из русла НСМ изменяются гидрологические, экологические и судоходные условия. Основы проектирования методов улучшения судоходных условий и влияние карьеров НСМ на судоходные условия нашло отражение в работах К.М.Берковича [12], Г.Л.Гладкова [23], К. В. Гришанина [30], В.В.Дегтярева [39], С.Лелявского [65], Н.И.Маккавеева [69], Н.А. Ржаницына [7 9], Б.Ф.
Снищенко [90], Р.С.Чалова [95], А.И.Чекренева [96] и др. Следует отметить, что работы перечисленных авторов относятся в основном к влиянию карьеров НСМ на русловые процессы. За последние годы в Сибири также накоплен и немалый опыт по улучшению судоходных условий на участках расположения русловых карьеров НСМ.
Кроме того, предъявляемые в последнее время дополнительные требования к полю скоростей течения: недопустимость превышения предельных скоростей течения по условиям размыва русла или аккумуляции наносов; борьба со свальными течениями и уменьшение кривизны линий тока, удовлетворяющих безопасности прохождения судов на участке, приводят к необходимости построения новых расчетных методик гидравлического обоснования путевых работ. Решить задачу проектирования дноуглубительных и вы-правительных работ на участках расположения карьеров НСМ при удовлетворении комплекса требований к полю скоростей и положению свободной поверхности воды можно на основе решения плановой задачи гидравлики. Достигнутые в последние годы решения плановой задачи гидравлики в работах И.А.Шеренкова [100], В.М. Вотвинкова [14], А.Ю.Жука [45] и др. позволяют создать расчетную методику построения планов течений и положения свободной поверхности воды при введении необходимых коррективов, учитывающих особенности кинематической структуры потока на участках расположения русловых карьеров НСМ. В работе В. И. Пронина [7 6] рассмотрено влияние русловых карьеров на перераспределение воды по рукавам на основе решения одномерных уравнений гидравлики. При таком подходе не удается решить напрямую одну из важных задач для оценки устойчивости судоходной трассы - определение поля скоростей течения. В то же время разработанные методы построения планов течений на основе решения плановой задачи гидравлики напрямую нельзя использовать для участков расположения русловых карьеров НСМ из-за возможности образования в них водоворотных областей с горизонтальными осями вращения, для которых условия решения предыдущих задач неприемлемы.
Целью работы является разработка методов оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия рек. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
в лабораторных и натурных условиях исследовать характерные особенности кинематической структуры потока на участках расположения карьеров НСМ;
получить расчетные зависимости для оценки режима течения в русловых карьерах НСМ;
разработать методику оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия однору-кавных и многорукавных участков рек;
осуществить натурную проверку эффективности предлагаемых методик гидравлического обоснования русловых карьеров НСМ.
На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики расчетного обоснования путевых работ для улучшения судоходных условий на участках расположения русловых карьеров НСМ.
Влияние карьеров на судоходные условия рек
Как показали исследования, выполненные учеными НГАВТа и МГУ, на начальном этапе функционирования Новосибирской ГЭС водность р.Оби была относительно низкой; это выразилось в том, что при сравнительно небольшом врезании вблизи плотины на протяженном участке, подверженном сезонному регулированию стока (300 км) взамен эрозионных прошли процессы аккумуляции, образовались многочисленные осередки и острова. В этот период (60-70 годы) выросла прямая механическая нагрузка на русло в виде большого объема дноуглубительных работ и добычи нерудных строительных материалов. Если в 1957 г. объем дноуглубительных работ составил 6.7 тыс.м3 на 1 км русла, то в 1968 г. - 38 тыс.м3/км, а в 1975 г. - 54 тыс.м3/км. Объем добычи нерудных материалов из русла к 197 3 г. на 28-километровом приплотинном участке составлял 18 млн.м3. Все это оказало большое влияние на посадку уровней воды и общую трансформацию русла. Общий объем удаленного материала с этого участка (эрозия+добыча) составил к середине 7 0-х гг. 34 млн.м , т.е. добыча составила 55% всего удаленного материала. Характерно, что объем размыва до начала интенсивной добычи (1957-1960 гг.) составил около 10 млн.м3, следовательно на самом деле доля добычи в удалении материала русла еще выше - до 75%.
Добыча нерудных материалов способствовала интенсификации размыва, благодаря местному увеличению уклона, обострению дефицита донных наносов и механическому срыву отмостки. Коэффициент стабильности [12] увеличился почти втрое, что связано как с изменением формы поперечного сечения, так и с дефицитом стока наносов. Посадка уровней приобрела неугасающии характер и в настоящее время достигла почти 2 м (табл. 1.1).
Другой пример - трансформация продольного профиля р.Оки, происшедшая с конца прошлого века. Для всех гидропостов верхнего течения реки от истока до Серпухова (более 500 км) в многоводный период с 80-х гг. прошлого века до середины 30-х гг. нашего столетия было характерно неуклонное повышение минимальных уровней за период открытого русла, которое с определенной степенью приближения характеризует накопление наносов и повышение отметок русла. Одновременно на гидропостах нижней Оки (Рязань-устье) наблюдалось быстрое понижение этих уровней. С наступлением маловодного периода 40 - 7 0-х гг. на тех же постах тенденция сменилась на обратную. На верхней Оке этот период совпал с широко развитой добычей нерудных материалов, что привело к очень быстрой трансформации продольного профиля, который приобрел резко ступенчатую форму (Беркович, 1993). Несмотря на высокую степень стабильности русла (Кс=10-16) большой интенсивности достигла эрозия, происходило понижение отметок дна реки между участками добычи и выше них на 5-15 см в год. Посадка уровней воды в Калуге и Серпухове составила более 1.2 м, а в Кашире - 1.8 м. Подобные процессы наблюдались и на р.Белой ниже г.Уфы, где понижение отметок дна реки составило около 1 м за последние 16 лет.
Как показывает практика, при разработке русловых карьеров без компенсационных мероприятий увеличиваются объемы транзитного землечерпания для поддержания габаритных размеров судового хода. Примером такого положения является перекат Змеиный (1891 км), расположенный на участке У.Заостровско-Ачаирского месторождения на реке Иртыш. Сопоставленные планы переката приведены на рис.1.3. При анализе сопоставленных планов этого переката за период 1982-1989 г.г. обнаружилось, что при практически неизменном его положении и ориентации прорези, объемы дноуглубительных работ увеличились с 30.84 тыс.м3 при одноразовой разработке прорези до 154 тыс.м3 при трехразовой разработке прорези.
У.Заостровско-Ачаирское месторождение стало разрабатываться с 1987 года, при этом максимальный объем навигационной добычи песка составил 2082.0 тыыс.м3 в 1988 году, а минимальный (за рассматриваемый период)-942.0 тыс.м3 в навигацию 1989 года.
Особенности гидравлического обоснования при проектировании русловых карьеров
Изучение гидравлической структуры потока в русловых карьерах осуществлялось на схематизированных моделях, представляющих собой лотки прямоугольного сечения с устроенными в них углублениями откосного профиля, а также на жестких гидравлических моделях двухрукавного участка реки Иртыш. Программа испытаний предусматривала их проведение при различных наполнениях модели и геометрических размерах карьеров. Моделирование осуществлялось по числу Фруда, диапазон изменения которого в опытах (0.01-0.25) соответствует режиму рек Сибири и Дальнего Востока.
Определяющими критериями для обеспечения кинематического, динамического и геометрического подобий модели и натуры являются критерии Фруда и Рейнольдса,
Исследования проводились в автомодельной области сопротивления, нижняя граница которой устанавливалась по числу Рейнольдса, определяемого зависимостью
Модельные исследования проводились в гидравлической лаборатории кафедры водных путей и гидравлики НГАВТа на лотках прямоугольного сечения шириной 10 и 40см. Измерения кинематических характеристик потока выполнялись в соответствии с принятыми в лаборатории методиками.
Во всех опытах измерялись скорости течения в расчетных створах на вертикалях в трех точках усовершенствованной трубкой Бентцеля (рис.2.1). Принцип действия прибора состоит в следующем: измеряемый поток попадает в горизонтальную приемную трубку (1) (трубку динамического напора), расположенную навстречу течению. Далее поток проходит через вертикальную часть, измерительный конус (2), возвращается по другому вертикальному участку и попадает в трубку статического напора (5), расположенную параллельно приемной трубке по течению. Измерительный конус изготовлен из оргстекла и основанием направлен к выходу измеряемого потока. На боковой поверхности конуса нанесена шкала с делениями . В конус помещен шарик (3) из полистирола, плотность которого близка к плотности воды. Перемещение шарика по вертикали пропорционально скорости течения. Шкала конуса оттарирована. Наименьшая скорость, которую можно измерить с помощью трубки Бентцеля - 2 см / с. Максимальная величина измеряемой скорости - 80 см/с. При работе с прибором необходимо следить, чтобы в трубку не попадал воздух. При появлении пузырьков воздуха нужно открыть кран в верхней части (4) и не начинать измерения, пока не выйдет весь воздух.
Направление поверхностных токов фиксировалось с помощью светящихся поплавков, а донных токов - введением в поток нигрозина.
По результатам этих опытов удалось установить, что в карьерах наблюдается два режима течения: поверхностный и режим растекания. При режиме растекания направление скорости течения по глубине не изменяется, а при поверхностном режиме на верховом откосе карьера у дна образуется вихревая зона с горизонтальной осью вращения. Примеры обоих режимов течения приведены на рис.2.2.
Обработка экспериментальных данных позволила нам получить расчетный график для определения режима тече ния в карьерах в зависимости от числа Фруда Fr и гео метрических размеров карьера: - длины L, глубины разработки Т и коэффициента заложения откоса m , который представлен на рис.2.3. Этот график аппрок симирован нами следующей зависимостью Если действительное значение L/T меньше или равно полученному по зависимости (2.4), то режим течения соответствует поверхностному режиму. Сравнение лабораторных и расчетных данных, выполненных по зависимости (2.4), приведено на графике рис.2.4. Среднеквадратическое отклонение расчетных данных составило 28%. Применение этого графика и зависимости (2.4) позволяет корректно использовать плановую модель течения при режиме растекания, а для поверхностного режима ввести коррективы, учитывающие изменение скорости по глубине не только по величине, но и по направлению.
Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судовые условия однорукавных участков рек
Нивелирование на первом и втором берегах составляет один ; прием. Таких приемов делалось три и окончательное превышение определялось как среднее из этих трех приемов. Перед производством нивелирных работ инструмент и рейки подвергались лабораторным и полевым поверкам по полной программе. Положение поверхностных токов фиксировалось с помощью гидрометрических шестов прямыми засечками с берега двумя теодолитами Т-2. В протоке удалось измерить поперечный уклон по технологии двойного геометрического нивелирования. На рис.2.12 приведена плановая съемка Почтовского узла разветвления русла р.Оби. На рис. 2.13 показаны результаты расчетов скоростей течения на Почтовском узле и сравнение их с натурными данными. Участки рек, на которых разрабатываются карьеры НСМ, отличаются многообразием рельефа дна и плановой конфигурацией русла. Следовательно, математическая модель течения должна обязательно учитывать это многообразие. В полной мере отвечают этим требованиям математические модели, основанные на решении плановой задачи гидравлики. Задачи речной гидравлики, в которых поле скоростей течения определяется до величин и направлений осредненных скоростей по вертикали, называются плановыми задачами гидравлики. Целесообразность применения именно такой схематизации течения обусловлена, как отмечает К.В. Гри-шанин [32], прежде всего чрезвычайной сложностью решения пространственных задач, а также тем, что в большинстве формул, описывающих движение наносов, входят именно величины средних скоростей течения на вертикали. Впервые уравнения плановой задачи гидравлики были получены Н.М. Вернадским. В последующем при решении плановых задач гидравлики были достигнуты большие успехи благодаря работам Н.Т. Мелещенко, И. И. Леви, И.М. Коновалова, А.В. Караушева, В.В. Баланина, В.М. Селезнева, И.Л. Розовского, А.Н.Бутакова, Н.А. Картвелишвили, И.А. Шеренкова, В.М. Ботвинкова, В.В. Беликова и др. Все эти работы можно разделить на две группы, в одной из которых решение производится в декартовых координатах (Н.Т. Мелещенко, И.М. Коновалов, В. В. Баланин, А.Н. Бутаков, В.М. Селезнев, В.В. Беликов ), а в другой в криволинейных ортогональных координатах ( Н.М. Вернадский, И. И. Леви, И.Л.Розовский, Н.А. Картвелишвили, И.А. Шеренков, В.М. Ботвинков). Решение задач в декартовых координатах при использовании для замыкания систем уравнений полузмпирических гипотез турбулентности ограничивается применением только для прямолинейных и близких к ним речных участков, что существенно ограничивает использование результатов работ первой группы. В работе И.И. Леви [64], относящейся ко второй группе, в уравнении движения турбулентные касательные напряжения приняты в соответствии с гипотезой Рейхардта. Пренебрегая изменением свободной поверхности по поперечнику и полагая поперечную составляющую скорости равной нулю, И.И. Леви рассматривает для решения только уравнение движения для продольных координат в совокупности с уравнением неразрывности в виде Система уравнений ( 3.1 ) и ( 3.2 ) хотя и записана для криволинейных координат, но не учитывает их кривизну. Кроме того, ширина струи В зависит от продольной координаты /, что должно учитываться при решении уравнения (3.1), приводящегося к уравнению теплопроводности. Н.А. Картвелишвили [58] Е.ЫПОЛНИЛ строгий вывод уравнений плановой задачи гидравлики в общем случае для системы криволинейных ортогональных координат, реиюние которых связано с большими математическими трудностями и автором не рассмотрено. Для расчетов планов течения и положения свободной поверхности для речных участков в настоящее время широко используется две модели: И.А. Шеренкова [100], В.М. Се лезнева [87]. Из этих моделей наибольшей универсальностью обладает модель И. А. Шеренкова, учитывающая кривизну русла, в которой корректно используется одна из полуэмпирических гипотез турбулентности (Рейхардта Коновалова) , сформулированных для преимущественного направления. Модель И.А. Шеренкова в последующем была усовершенствована В.М. Ботвинковым в связи с тем, что базовая модель И. А. Шеренкова давала значительные погрешности при расчете положения свободной поверхности воды. Как показывают наши натурные и лабораторные исследования ( см. раздел 2 ) и исследования Г.Л. Гладкова [25] на верхнем откосе руслового карьера могут образовываться водоворотные зоны с горизонтальной осью вращения. В связи с этим, определение поля скоростей течения по плановой задаче гидравлики может привести к значительным погрешностям, поскольку осреднение уравнений по вертикали предусматривает одно преимущественное направление для всех по глубине скоростей течения.
Полученные нами расчетный график (см. рис.2.3) и аппроксимирующее его уравнение (2.4) позволяют определить режим течения в карьере {поверхностный или режим растекания) и выполнять расчеты поля скоростей и положения свободной поверхности на участках расположения русловых карьеров без введения каких-либо коррективов при режиме растекания (отсутствует придонная водоворотная область с горизонтальной осью).
Для расчета русловых карьеров при поверхностном режиме необходимо ввести коррективы. Учесть изменение направления скоростей течения по глубине можно путем определения для условий возникновения водоворотных зон с горизонтальной осью вращения корректива скорости по глубине ah, выражение для которого получено нами в результате обработки экспериментальных данных ( формула ( 2.6 )).
Итоги внедрения полученных рекомендаций в практику проектирования русловых карьеров
Приведенные результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных позволяют рекомендовать использование решения системы уравнений (3.3) - (3.5) с учетом предложенных нами коррективов по режиму движения в карьере (2.4) и по коррективу скорости по глубине аА(2.6) для гидравлического обоснования проектов русловых карьеров нем.
В основе предлагаемой методики оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия лежит использование решения системы уравнений плановой задачи гидравлики (3.3) - (3.5) и внесенные нами коррективы по режиму течения и изменению скоростей течения по глубине в карьере.
Гидравлическое обоснование судоходной трассы и проектируемого карьера НСМ производится при трех расчетных уровнях - проектном, руслоформирующем и уровне, соответствующем времени окончания производства дноуглубительных работ для обеспечения судоходства ( в тех случаях, когда есть необходимость проведения таких работ). При проектном уровне производится оценка понижения уровня и качественно оценивается устойчивость судоходной трассы. При уровне, соответствующем руслоформирующему расходу воды выполняются расчеты устойчивости судоходной трассы и заносимости карьера русловыми наносами. Положение руслоформирующего уровня воды определяется либо по отметке выхода воды на пойму, либо по результатам расчетов руслоформирующего расхода воды по методу Н.И. Маккавеева [66]. На период окончания производства дноуглубительных работ, в соответствии с требованиями руководства по проектировании судоходных прорезей [82], рассчитывается начальная устойчивость прорези. Для выполнения расчетов по гидравлическому обоснованию русловых карьеров НСМ требуется следующая исходная информация: плановые съемки участка реки за несколько последних лет (не менее трех); гарантированные габаритные размеры судового хода; гранулометрический состав грунта на судоходной трассе и данные геологических изысканий на предполагаемых участках размещения русловых карьеров; характеристика уровней и расходов воды по опорным гидропостам; данные нивелировок свободной поверхности при трех уровнях воды: проектном, среднем меженном и паводочном; характеристика технических средств для производства путевых работ и разработки русловых карьеров НСМ. Целью расчетного обоснования русловых карьеров НСМ на однорукавных участках судоходных рек является оценка их влияния на состояние судоходной трассы и положение свободной поверхности, а также создание условий, обеспечивающих безопасное движение судов на участках расположения русловых карьеров НСМ. При выборе планового расположения карьеров целесообразно опираться на следующие рекомендации [83]: 1. Русловые карьеры НСМ следует располагать за пределами судового хода. 2. Отвалы грунта при производстве вскрышных работ необходимо размещать сплошным массивом в специально отведенных местах или в выработанное пространство месторождения. 3. Карьер не следует располагать вблизи коренного берега, поскольку это может привести к его разрушению. 4. Карьер не рекомендуется размещать на гребнях перекатов, с тем чтобы не усугублять понижение уровней воды. 5. При выборе планового положения карьера необходимо обеспечить водные подходы, обеспечивающие безопасность судоходства. После выбора планового положения карьера принимается следующий порядок расчета: 1. На план участка наносится продольная криволинейная ось, совпадающая с преимущественным направлением течения. 2. Участок реки разбивается поперечными сечениями по характерньм изменениям рельефа русла и положению карьера на расчетные участки, при этом поперечники должны быть ортогональны продольной оси, кривизна которой между поперечниками должна быть постоянной (рис. 3.10 ) . Сечения нумеруются, начиная с нижнего, а расчет выполняется сверху вниз по течению.
