Содержание к диссертации
Введение
I. ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ И РАСЧЕТА КАНАЛОВ В ЗЕМЛЯНОМ
РУСЛЕ И С ЧАСТИЧНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ОТКОСОВ 10
1.1. Устойчивость русел каналов и методы ее расчета 10
1.2. Основные причины нарушения устойчивости русея каналов 18
1.3. Формирование устойчивого канала в земляном русле и частичным креплением откосов 25
1.3.1. Натурные исследования магистральных каналов.. 29
1.4. Выводы и основные задачи исследований 54
II. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОГО КАНАПА
В ЗЕМЛЯНОМ РУСЛЕ 57
2.1. Описание лабораторных установок, методика исследования и обработки данных. 57
2.1.1. Методы и аппаратура для исследования средних и пульсационных характеристик скорости 58
2.1.2. Характеристики опытов на размываемых моделях. 63
2.2. Кинематические характеристики потока в размываемом русле 72
2.2.1. Формирование устойчивого русла кавала 72
2.2.2. Энергетические спектры турбулентности пространственного руслового потока 92
2.3. Учет влияния средних и пульсационных характеристик скорости на деформацию русла 110
2.4. Критерии потери устойчивости потока в каналах из легко размьшаемых грунтов 124
В ы в о д ы 133
III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОНДИРОВАНИЮ
ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ КАНАЛОВ С ЧАСТИЧНО УКРЕПЛЕННЫМИ
ОТКОСАМИ. 135
3.1. Кинематическая структура потока в каналах с частично укрепленными откосами. 135
3.1.1. Особенности формирования устойчивого сечения канала с частично укрепленными откосами 135
3.1.2. Энергетические спектры турбулентности в канале с частичным креплением откосов... 145
3.2. Статистический анализ отметок донного рельефа 150
3.3. Пропускная способность каналов с частично укрепленными и неукрепленными откосами 161
В ы в о д ы 167
ІV.МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗИЛЛЯНЫХ КАНАЛОВ С ЧАСТИЧНО УКРЕПЛЕННЫМИ ОТКОСАМИ 169
4.1. Анализ существующих методов защиты откосов канала 169
4.2. Методика расчета каналов с частично укрепленными откосами 176
4.2.1. Установление глубины частичного крепления откосов канала 176
4.2.2. Установление расчетных зависимостей для расчета каналов с частичным креплением
откосов 179
4.3. Технико-экономическая эффективность и сравнение вариантов 184
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 190
ЛИТЕРАТУРА. 193
- Устойчивость русел каналов и методы ее расчета
- Описание лабораторных установок, методика исследования и обработки данных.
- Кинематическая структура потока в каналах с частично укрепленными откосами.
- Анализ существующих методов защиты откосов канала
Введение к работе
Актуальность работы. Продовольственной программой СССР на период до 1990 года,* принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, предусматривается повышение эффективности и роли мелиорации в обеспечении гарантированных урожаев сельскохозяйственных культур.
Сельскохозяйственные угодия в нашей стране составляют примерно 30$ земельных ресурсов, и площадь пашни достигла 225 млн.га. Площадь земель, нуждающихся в орошении и осушении, оценивается примерно в 150 млн.га.
Водозабор из природных источников достиг 324 км3 в год (что составляет менее 1% речного стока и из них 4$ потребляется безвозвратно),
В результате неравномерного распределения водных ресурсов по территории нашей страны на районы, где сосредоточено 85$ населения и производится 80$ объема всей промышленной и сельскохозяйственной продукции, приходится около 16$ общего объема речного стока.
Для решения водной проблемы намечено осуществить грандиозные планы переброски части стока рек: северных - в бассейн реки Волги, р.Дунай - в южные районы Украины, сибирских рек (Иртыш, Обь и др.) - в южные области Западной Сибири и Урала, Казахстан и Среднюю Азию, с созданием в перспективе Ийиной водохозяйственной системы страны. Для покрытия дефицита водных ресурсов до 1990 г, необходимо обеспечить всяческую экономию воды засчет:
Продовольственная программа СССР на период до 1990 года и меры по ее реализации, материалы майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС, 1982, М., Изд. "Правда", 1982. - Ш. реконструкции оросительных систем; применения надежных противофильтрационных облицовок; совершенствования способов полива и т.д.
В настоящее время в нашей стране колхозы и совхозы имеют свыше 28 млн.га мелиорированных земель. Орошаемые земли, составляя всего лишь около 9% от площади всей пашни, дают около 32$ валовой сельскохозяйственной продукции.*
Решая поставленные партией задачи, советские гидротехники и мелиораторы добились выдающихся успехов. В южных районах страны: в Средней Азии, на Украине, Кубани, в Краснодарском крае, Северном Кавказе и других районах созданы мощные оросительные системы, базирующиеся на стоке Амударьи и Сырдарьи, Днепра, Волги и других местных рек. При этом приходилось решать сложные научно-технические проблемы, среди которых в последние годы особо выделяется проблема проектирования и расчета крупных каналов.
С ростом площадей орошаемых земель и их удалением от водных источников увеличивается протяженность и пропускная способность мелиоративных каналов. В настоящее время в СССР построено и эксплуатируется более 25-ти крупных каналов с расходом более 100 м3/с. и протяженностью более 100 км. Среди них такие как: Каракумский, Аму-Бухарский, Каховский, Северо-Крымский и др. Общая протяженность мелиоративных каналов составляет около 500 тыс. км, из них около 450 тыс .км проходит в земляном русле и они орошают более 15 млн,га. К 1990 году намечается довести орошаемые земли до 25 млн.га, для этой цели в связи с наметившимся дефицитом воды в местных источниках проектируются мероприятия по региональному
Васильев Н.Ф. Воплощая в жизнь заветы Ленина. - "Гидротехника и мелиорация", № 4, 1980, с;5. перераспределению водных ресурсов, что тоже требует проектирования и строительства крупных земляных каналов, строится канал Волга-Урал. Проектируются супер-каналы на трассах переброски: Дунай-Днепр, Волга-Дон, а также переброска стока северных рек Европейской части СССР в бассейн Волги и части стока сибирских рек, который будет иметь протяженность свыше 2-х тыс.км и расход первой очереди 1000 м3/е.
Учитывая эти и другие особенности эксплуатации таких каналов, к ним предъявляются качественно новые требования такие как безотказность и безаварийность их работы. В то же время, анализ натурных наблюдений показывает, что большинство каналов в процессе эксплуатации претерпевают значительные деформации поперечного сечения. Для поддержания таких каналов в рабочем состоянии требуются большие ежегодные затраты, а при значительной протяженности каналов каждый процент повышения эффективности капиталовложений или уменьшения эксплуатационных расходов может высвободить значительные средства.
Предотвратить деформацию поперечного сечения и обеспечить устойчивость русла возможно за счет частичного крепления откосов канала. Несмотря на то, что к настоящему времени проведено значительное количество экспериментальных и натурных исследований по вопросам деформации песчаных русел, практически не уделено внимание кинематической структуре турбулентного руслового потока. Между тем, изучение кинематических и турбулентных характеристик потока в размываемом русле канала крайне важно для раскрытия механизма воздействия скоростного поля потока на русло и природы разрушения откосов, что позволит дать научно обоснованные рекомендации по предохранению каналов от деформаций без и за счет частичного крепления откосов.
Таким образом, изучение кинематической структуры потока и разработка на основе полученных скоростных характеристик инженерных рекомендаций по предохранению каналов от размыва является чрезвычайно актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью исследований диссертационной работы являлось изучение кинематической структуры потока в руслах земляных каналов и установление на основе анализа скоростных характеристик возможности повышения их устойчивости и пропускной способности с помощью частичного крепления откосов, а также разработка метода гидравлического расчета каналов с частичным креплением.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи: обобщить опыт эксплуатации каналов, проходящих в различных инженерно-геологических условиях, в земляном русле и с частичным креплением откосов; провести на каналах натурные и лабораторные исследования по изучению кинематической структуры и условий фондирования устойчивых русел в земляном русле, и с частичным креплением откосов; изучить влияние частичного крепления откосов канала на кинематическую структуру потока; исследовать частичное крепление откосов канала, как способ инженерной защиты канала для повышения его устойчивости и пропускной способности; разработать методику расчета больших каналов при частичном креплении откосов.
Научная новизна работы, заключается в том, что впервые с применением корреляционно-спектрального анализа изучены кинематические и турбулентные характеристики потока в условиях конкрет- ннх форм русел земляных каналов и раскрыта природа деформаций их откосов. Получены зависимости, характеризующие интенсивность деформаций откосов и дна каналов в зависимости от распределения средней скорости на вертикалях. Изучено влияние относительной скорости на параметры .форта русла канала, установлены предельные значения относительной ширины русла, обеспечивавшие общую устойчивость земляного канала. Впервые изучено влияние частичного крепления откосов на кинематическую структуру потока, и разработаны практические рекомендации по гидравлическому расчету русел каналов с частично укрепленными откосами.
Практическая ценность результатов исследований. Установленный критерий плановой устойчивости использован для оценки предельных значений расчетных параметров каналов в земляном русле.
Исследование кинематических и турбулентных характеристик потока позволило разработать конкретные рекомендации по оценке необходимой глубины частичного крепления откосов для обеспечения устойчивости канала в целом.
Разработаны практические рекомендации по расчету каналов с частичным креплением откосов.
Решение проблемы устойчивости каналов при помощи частичного крепления откосов позволит уменьшить эксплуатационные расходы, повысить пропускную способность, надежность и безотказность работы каналов при длительной эксплуатации.
Реализация работы. Предложенный способ повышения пропускной способности и надежности работы канала в виде частичного крепления его откосов использован в проекте Кубенско-Шекснинского канала.
Апробация и публикация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: отраслевой научно-технической конференции молодых специалистов Минводхоза СССР в Союзгипровод-хозе (г.Москва, 1976 г.), на Ломоносовских чтениях в МГУ (г.Москва, 1978 г.), на секции русловых процессов ГКНТ СССР (г.Ленинград, 1978 г., г.Ташкент, 1982 г., г.Ленинград, 1983 г.), на секции НИР института "Союзгипроводхоз" (г.Москва, 1983 г.). По теме диссертации опубликовано шесть статей.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 204 страницах машинописи„ включает II таблиц,-68 рисунка и фотографий. Список литературы из 127 названий.
Устойчивость русел каналов и методы ее расчета
Протяженность существующих каналов на территории нашей страны измеряется сотнями тысяч километров. С их помощью осуществляется: орошение, обводнение и осушение млн.га сельскохозяйственных угодий - мелиоративные каналы; подвод и отвод воды к энергетическим установкам - деривационные каналы; транспортировка грузов и пассажиров - судоходные каналы; водоснабжение промышленности и жилищно-коммунального хозяйства - водопроводящие каналы. Для их разделения предложены различные классификации. А.А.Угинчус [l04, 105] , Ю.А.Ибад-заде [43 ] , Г.В.Железняков \Щ , В.С.Ал-тунин [6] и др.
Основное условие нормальной эксплуатации канала любого типа -безаварийность его работы. В связи с этим все каналы разделяют на устойчивые и неустойчивые.
Устойчивым считается такой канал, в котором в процессе длительной эксплуатации уклон и форма русла остаются практически неизменными. Движение наносов в устойчивом канале происходит как во взвешенном состоянии, так и в виде гряд; в приурезной зоне допускаются незначительные деформации от воздействия волн и атмосферных осадков.
Неустойчивым является канал, в котором в результате эксплуатации произошли необратимые деформации (размыв, заиление) первоначальных размеров русла.
Устойчивые русла, в свою очередь, разделяют на статически устойчивые и динамически устойчивые.
В статически устойчивом русле должен обеспечиваться такой гидравлический реяшм, при котором полностью отсутствуют подвижки частиц по всему периметру канала.
Динамически устойчивым каналом называют такое русло, в котором, несмотря на продольный транспорт наносов и движения русловых форд, средние параметры русла остаются неизменными во времени. При этом считается, что осреднение производится в течении времени, определяемого скоростью движения характерных русловых форм.
Описание лабораторных установок, методика исследования и обработки данных
Лабораторные исследования проводились на методическом и русловом лотках в гидрофизической лаборатории кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Методический лоток имеет длину 7 м, ширину 0,2 м и высоту. 0,4 м. Дно и стенки лотка стеклянные. Лоток имеет подъемный механизм, позволяющий в широких пределах менять уклон его дна. Уклон водной поверхности измерялся с помощью мерных игл, установленных в начале и в конце лотка. Измерительная аппаратура располагалась на тележке, перемещающейся вдоль лотка. Максимальный расход методического лотка 50 л/с, определялся расход с помощью мерного водослива. Общий вид лотка показан на рис.17.
Русловой лоток имеет следующие размеры: длина 24 м, ширина 4 м и высота I м. Стенки и дно лотка железобетонные. Над лотком расположена тележка для установки измерительной аппаратуры, способная передвигаться по рельсам вдоль лотка. Тележка имеет направляющую (перпендикулярную оси лотка), вдоль которой передвигаются приборы. В головной части лотка расположен бункер для подачи наносов, а также успокоительный бассейн. Вода в лоток поступает из успокоительного бассейна через протарированный трапецеидальный водослив. Максимальный расход воды в лотке 150 л/с, и регистрировался он по показанию мерной иглы с электрическим контактом, установленной перед трапецеидальным водосливом.
В концевой части лотка установлен двухсекционный жалюзный затвор, с помощью которого поддерживается уровень в нижнем бъефе.
class3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФОНДИРОВАНИЮ
ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ КАНАЛОВ С ЧАСТИЧНО УКРЕПЛЕННЫМИ
ОТКОСАМИ. class3
Кинематическая структура потока в каналах с частично укрепленными откосами
В предыдущем разделе (2.2.1) было показано, что основной причиной начальных деформаций русел каналов, для принятого отношения Ъ/h , в проведенных опытах, является воздействие на откосы каналов осредненных скоростей на вертикалях больше допустимых и соответственно невыполнение условия (2.3) -Ftg Fa0 . Деформации произошли во всех опытах, независимо от начального соотношения V /v0.
Для предотвращения происходящих деформаций был проведен специальный опыт її УП (табл.6) с частичным креплением откосов, в котором первоначальное сечение канала в опыте Ш (с коэффициентом подвижности V/Va = І), в том месте поперечного сечения, где не выполнялось условие Ftg Fuo было изолировано от воздействия движущегося потока. Глубина крепления определялась начальным характером распределения параметра F t g по ширине канала в опыте Ш, рис.30.
Из рис.30 видно, что участок смоченного периметра, на котором условие (2.3) не выполнялось, составляет U /В = 0,15. Крепление было выполнено из фильтрующего материала с коэффициентом шероховатости близким к шероховатости грунтов, слагающих ложе канала. На рис .47а показан вид модели с частичным креплением откосов. Все начальные гидравлические параметры канала в опыте УП были такие же, как и в канале опыта Ш. На рис.476 приведено начальное поперечное сечение канала с частично укрепленными откосами и схема расположения вертикалей, на которых производилось измерение средних и пульсационных составляющих скорости.
На рис.48 показаны эпюры распределения средней скорости водного потока на вертикалях, измеренные флюгером с фотоэлектрической приставкой и гидрометрической трубкой.
Количество точек, в которых производилось измерение средней скорости, определялось глубиной по вертикали и составляло 6...15 шт.
Время проведения опыта определялось неизменностью и постоянством живого сечения в течение 20 часов и составило 85 часов.
Через II часов от начала опыта, на дне канала образовались -гряды высотой Пгр - 1,0...1,5 см. На рис.49 показан график скорости движения гряд в канале с частично укрепленными откосами.
Если сравнить график скорости движения гряд на рис. 49 с графиком начальной скорости движения гряд в опыте Ш (рис.29, кривая I), то на лицо значительная разница в характере начальных деформаций земляного и частично закрепленного русла.
В начале опыта Ш максимальная скорость движения гряд приходилась на приурезную зону Ц /В = 0,11 и составляла Vrp = = 8х103 см/с, по оси же русла t/Vp = 2хІ03 см/с. В канале с частично закрепленными откосами максимальная скорость движения гряд приходится на середину русла и составляет Vrp = 1,2х х103 см/с. Такая большая разница в характере деформаций объясняется тем, что в земляном канале в начальный момент времени из приурезной зоны с откосов и бровок канала на дно поступает значительное количество смытого песчаного материала.
Анализ существующих методов защиты откосов канала
Цементация и пропитка несвязных грунтов для повышения их прочности и ослабления фильтрационной способности, находит все более широкое применение при отрывке котлованов, при подготовке оснований плотин и других гидротехнических сооружений. Однако на каналах их широкому применению препятствует высокая стоимость.
В последние годы в СССР значительно повысился интерес к защите откосов крупных мелиоративных каналов биологическим креплением. Причина этого в том, что его стоимость примерно в 10 раз меньше, чем при использовании наиболее простых способов инженерного крепления, например, каменной наброски. Наряду с этим, биологическое крепление имеет также ряд других неоспоримых достоинств. Заросли растений долговечны, способны интенсифицировать очистку воды от органических веществ, нефтепродуктов, пестицидов.
Вместе с тем необходимо отметить, что наличие полуводной растительности на откосах несколько уменьшает пропускную способность. Величина этого снижения на крупных каналах может составлять 5...6% [із].
Наиболее характерными представителями полуводной растительности являются тростник обыкновенный и камыш озерный. Максимальная глубина распространения этих растений обычно составляет 1,7...1,8 м, а густота доходит до 200...250 стеблей на I м2 и более. Щфект защиты берегов создается как от гашения размеров волн стеблями, так и своеобразным "армированием" грунта корнями.
Возможность использования биологического крепления должна рассматриваться в каждом конкретном случае отдельно. На относительно редкие заросли полуводной растительности способны предохранять откосы от размыва. На крупных каналах, особенно в районах со значительной повторяемостью сильного ветра, биологическое крепление целесообразно устраивать в комплексе с инженерным. В противном случае оно может быть разрушено и в дальнейшем не восстановится. Замечено, что проводимая на многих каналах борьба с полуводной растительностью с целью повышения пропускной способности крайне неэффективна. Выкошенная или выгоревшая растительность на следующий год снова вырастает. В силу этого проектирование каналов следует производить с учетом возможности произрастания этой растительности на откосах.
В.Ф.Саплюков \ЭБ \ указывает, что тростник в зоне посадки не выдерживает глубокого затопления, поэтому его высаживают до глубины 0,6...0,7 м. В отдельных случаях можно производить посадку и над урезом воды. Со временем растения разовьются и распространятся вниз по откосу. Заросли тростника бывает целесообразным дополнять посадками камыша. Камыш, как более влаголюбивая культура, высаживается на глубинах до 2-х м. При этом устойчивость берегов значительно повышается. Особенно это проявляется в тех случаях, когда профиль откоса близок к динамически устойчивому.
