З.Г. Ламердонов

При строительстве берегоукрепительных сооружений перед проектировщиками стоит сложная задача правильного выбора варианта берегоукрепительного сооружения. В настоящее время проектировщики при выборе варианта технического решения руководствуются либо собственным опытом, либо общими рекомендациями, что не всегда приводит к оптимальному решению проблемы. Так, например, после популяризации габионных конструкций их начали строить везде, несмотря на то что в некоторых случаях они совершенно неприменимы. Например, их нельзя строить на участках с большими нагрузками, вызванными продолжительным паводковым периодом или большим содержанием наносов.

Анализ натурных обследований действующих берегозащитных сооружений показал, что выбор наилучшего варианта зависит от морфологических элементов потока и русла. При выборе варианта берегозащитного сооружения в настоящее время кроме надежности необходимо также учитывать экономические и экологические показатели. Таким образом, необходима теория, основанная на научном подходе при принятии решений по выбору оптимального варианта берегозащитного сооружения.

С появлением новых более прогрессивных строительных материалов, с развитием информационных технологий, с последними достижениями в области математической теории планирования эксперимента появилась возможность по-новому подходить к решению многих вопросов, связанных с проектированием и строительством берегозащитных сооружений.

Целью этой работы является создание теории, позволяющей любому проектировщику легко выбирать оптимальный вариант берегоукрепительного сооружения, адаптированный к местным морфологическим условиям.

Известно, что русловой процесс - это взаимодействие потока с руслом, поэтому его устойчивость определяют морфологические элементы потока и русла. Основными морфологическими элементами потока, которые необходимо учитывать, являются: скорость потока; глубина; мутность воды; продолжительность паводкового периода. Основными морфологическими элементами русла, которые учитываются при выборе варианта, являются: фракционный состав русла; уклон русла; относительное заполнение поймы; форма русла реки в плане.

Известно, что в русловой гидротехнике важным показателем является число Фруда (F_r), которое определяется по формуле [1]

проектировщик берегоукрепительный сооружение морфологический

, (1)

где v - средняя скорость; H - глубина при максимальном расходе воды; g- ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с²; a - коэффициент неравномерности распределения скоростей, a=1,1.

Этот показатель объединяет два морфологических элемента - скорость v и глубину H.

Другим важным показателем, которым оценивают устойчивость русла, является коэффициент устойчивости русла, предложенный Лохтиным В.М. [1]. Этот показатель зависит от отношения сопротивления частиц наносов к влекущей силе потока. Сопротивление приближенно принимается пропорциональным весу частицы, то есть величине d³ (d - средний диаметр частиц), а влекущая сила - величине гидродинамического давления на частицу, то есть произведению v² d². Так как v² при прочих равных условиях пропорционально уклону I, то давление на частицу пропорционально d² I, поэтому отношение будет иметь вид

. (2)

При этом коэффициент устойчивости определяется при в мм и в м на 1км.

Чем крупнее частицы донных наносов или чем меньше падение реки, тем менее подвижно русло. В реках с коэффициентом устойчивости 10…15 нет постоянного влечения наносов по дну; движение донных наносов отличается периодичностью; они перемещаются в основном только в период половодья, в межень движения наносов почти нет. В реках с коэффициентом устойчивости менее 5 развивается постоянное влечение донных наносов на всем протяжении, однако в межень оно значительно ослабевает.

Проанализировав каждый фактор, можно прийти к выводу, что седьмым фактором (относительным заполнением русла в паводковый период) и последним фактором (формой русла реки в плане) можно пренебречь, и тогда останутся четыре фактора: коэффициент кинетичности, (Х₁); коэффициент устойчивости, (Х₂); мутность воды, Х₃; продолжительность паводкового периода, Х₄.

Экспериментальные исследования проводятся с применением математической теории планирования эксперимента. В качестве базового плана эксперимента был выбран план Бокса (В4) [3].

На основании предварительного анализа были определены интервалы варьирования основных факторов, приведенных в табл. 1.

В таблице 1 приведены кодированные значения факторов для условий проведения опытов с четырьмя факторами.

Таблица 1. Уровни варьирования основных факторов

В настоящее время авторами разработаны модели 20 вариантов берегозащитных сооружений, из них в качестве примера приводятся четыре варианта откосных креплений и два варианта подпорных стенок.

В качестве параметра оптимизации примем интегральную оценку, зависящую от специфических особенностей конструкции и морфологических элементов потока и русла.

Оценка работы каждого отдельного варианта берегоукрепительного сооружения производится по основным требованиям и десятибалльной системе. К основным требованиям, предъявляемым к берегоукрепительным сооружениям, относятся надежность работы, экономичность, экологичность.

Общая относительная экономическая и экологическая оценка различных вариантов гибких откосных креплений не зависит от морфологических элементов потока и реки, а определяется материалами и конструктивными особенностями технических решений. Для объективной оценки различных вариантов сделаны проекты берегоукрепления длиной 100 м и высотой 3 м. Самыми дорогими креплениями считаются подпорные габионные стенки.

При оценивании берегоукрепительного сооружения по экологичности оценка производится в результате сравнения количества применяемых техногенных материалов при строительстве различных вариантов. Этот показатель также берется из смет, так как в них легко определить объем техногенного материала.

Оценка каждого варианта производится по интегральному принципу. Наивысшая оценка надежности, экономичности, экологичности - 10 баллов. Таким образом, максимально возможная интегральная оценка составляет 30 баллов.

Общая относительная экономическая и экологическая оценка различных вариантов гибких откосных креплений верховых откосов дамб приведена в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Экономическое сравнение различных вариантов берегозащитных сооружений

Интегральная оценка П_и каждого вида откосного крепления зависит от показателя надежности крепления П_н, который для каждого вида откосного крепления определяется по результатам натурных наблюдений в зависимости от основных морфологических элементов потока и русла. Для этого на участках действующих берегозащитных сооружений для конкретных морфологических условий определяется срок службы различных вариантов креплений [4]. Зная максимальный срок службы берегоукрепительного сооружения, а он принимается равным 40 лет, устанавливается относительная оценка в баллах. Обследования проводились на реках Кабардино-Балкарской республики. Для новых сооружений дается прогнозируемая величина срока службы в зависимости от величины морфологических элементов и работы аналогичных сооружений. Определение показателя надежности производится в табличной форме.

Таблица 3. Экологическое сравнение различных вариантов берегозащитных сооружений

Интегральный показатель будет определяться по формуле

, (3)

где - понижающий коэффициент, зависящий от надежности принятого варианта крепления, .

Расчеты по определению интегрального показателя производятся в табличной форме для каждого варианта.

Коэффициенты уравнения регрессии определяются методом наименьших квадратов в матричной форме [2].

Исходная система уравнений в матричной форме имеет вид

Y =X B. (4)

Значения коэффициентов уравнения регрессии в матричной форме определялись по формуле

(5)

Оценка адекватности полученных регрессионных уравнений проводилась по критерию Фишера. Модель адекватна, если расчетное (опытное) значение критерия Фишера F_расч не превышает его табличного значения F_теор для выбранного уровня значимости числа степеней свободы [2].

Дамба с креплением верхового откоса из каменной наброски является самым экономичным и экологичным техническим решением но, к сожалению, имеет ограниченный диапазон применения. Крепление откосов каменной наброской осуществлялось на некоторых участках рек Нальчика, Черека с различными величинами морфологических элементов потока и русла, при этом размеры камня зависят от параметра кинетичности потока и устойчивости русла. Крепить откосы каменной наброской можно при параметре кинетичности потока Fr = 0,20,3 и f = 10 и более, а также на реках с краткосрочными паводками. После обработки данных, полученных по результатам натурных обследований различных участков креплений каменной наброской, определена долговечность крепления в зависимости от величины морфологических элементов. По долговечности установлена надежность крепления в баллах, а по ней дана интегральная оценка каждому опыту в табличной форме. Таким образом, определен параметр оптимизации для каждого опыта, а по нему построена математическая модель, в основу которой положены уравнения регрессии. После исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид

(6)

Дамба с креплением верхового откоса габионами из параболических цилиндров разработана в КБГСХА и запатентована в России [5]. В настоящее время габионами из параболических цилиндров укреплены дамбы на р. Черек в районе с. Псынабо и ст. Черек общей длиной более 1 км. Опыт работы этих и других габионных откосных креплений показал, что сетка подвергается истиранию от насыщенного наносами потока, и при больших нагрузках на крепление срок ее службы может не превышать 10 лет. Срок службы откосных габионных креплений может достигать 30…35 лет. На построенных нами и на аналогичных других габионных креплениях определен срок службы креплений на участках с различными морфологическими условиями. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид

(7)

Дамба с армобутобетонным креплением верхового откоса разработана в КБГСХА и запатентована в России [7]. Надежность и долговечность таких и аналогичных конструкций выше, чем у габионных откосных креплений. Такие конструкции могут выдерживать большие нагрузки и использоваться на реках с продолжительными паводками и большим содержанием наносов. Камень, уложенный поверху бетона, является износостойким материалом. Относительным недостатком таких креплений является дороговизна и меньшая экологичность, что и учитывается в интегральной оценке. После обработки полученных в результате обследования экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии имеет вид

(8)

Дамба с тюфячным креплением верхового откоса из бетонных плит - это довольно распространенный вид креплений, давно применяемый на реках КБР и всей России. При хорошей защите против суффозии такие крепления могут служить до 40 лет. Подобное крепление можно рекомендовать на участках рек с большой нагрузкой и для потоков с большим содержанием наносов. Недостатком таких креплений является относительно высокая стоимость и низкая экологичность, так как материалом, из которого сделано крепление, является бетон. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид

(9)

Габионная подпорная стенка из сетки с двойным кручением - этот вид берегозащитных сооружений в КБР получил большое распространение в последние годы. Такие сооружения построены на реках Баксан, Малка протяженностью десятки километров. Они имеют довольно привлекательный эстетичный внешний вид и обладают многими достоинствами. К недостатку таких сооружений можно отнести относительную дороговизну и то, что сетка подвергается истиранию от потока насыщенного наносами. Срок службы габионных подпорных стенок может достигать 30…35 лет. На построенных габионных подпорных стенках с сеткой двойного кручения определен срок службы креплений на участках с различными морфологическими условиями. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид

(10)

Габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой - это новая разработанная в КБГСХА конструкция берегозащитного сооружения, в которой сделана попытка, устранить те недостатки, которые имеют габионные подпорные стенки. Конструктивное решение таких стенок позволяет делать их высокими и относительно тонкими и, следовательно, более экономичными, так как они могут работать и на изгибающие нагрузки. Облицовка бетоном защищает стенку от истирания наносами, что увеличивает срок службы подпорной стенки. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид:

(11)

Данная модель позволяет выбирать оптимальный вариант берегозащитного сооружения в зависимости от величины морфологических элементов потока и русла и предназначена для проектировщиков. Проектировщик, не имеющий большого практического опыта проектирования берегозащитных сооружений, может подобрать оптимальный вариант применительно к местным условиям. В неё можно включить любое количество вариантов берегозащитных сооружений и в зависимости от интегральной оценки выбрать оптимальный.

Разработанная модель в настоящее время реализована 20 сооружениях, с её использованием построены берегозащитные сооружения на р. Черек, защищающие с. Старый Черек и с. Псынабо.

Пример. Подобрать оптимальный вариант берегозащитного сооружения для двух участков рек со следующими морфологическими элементами:

1). Скорость потока v = 1,9 м/с; глубина, h = 1,7 м; размер фракций русла, d₅₀=70 мм; уклон в метрах на 1 км, I = 5 м; мутность потока, = 0,1 кг/м³; продолжительность паводкового периода, n = 1 мес.

2). Cкорость потока v= 4,0 м/с; глубина, h = 1,8 м; размер фракций русла, d₅₀=50мм; уклон в метрах на 1 км, I = 15 м; мутность потока, = 0,1 кг/м³; продолжительность паводкового периода, n = 12 мес.

Решение. Подсчитаем интегральные показатели по формулам (6)…(11) в Excel для каждого варианта и выберем максимальное значение.

Таблица

Ответ. Для первого участка реки наилучшим вариантом является каменная наброска с Пи = 25,7. Для второго участка наилучшими вариантами в зависимости от условий местности являются армобутобетонное крепление с Пи = 11,3 и габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой с Пи = 10,8.

1. Алтунин С.Т. Регулирование русел. М.: Сельхозиздат, 1962. 352 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. М.: Наука, 1976. 279 с.

3. Бродский В.З. и др. Таблицы планов эксперимента для факторных полиномиальных моделей (справочное издание). М.: Металлургия, 1982. 752 с.

4. Мирцхулава Ц.Е. О надежности крупных каналов. М.: Колос, 1981. 318 с.

5. Ламердонов З.Г. Гибкие ячеистые крепления откосов //Мелиорация и водное хозяйство 2002. №4. С.19-21.

6. Патент Российской Федерации № 2189421, МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Комбинированное крепление откосов/ Ламердонов З.Г.; Заяв. 08.11.2000; опубл. 20.09.2002г.

7. Патент Российской Федерации №2200793 МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Армобутобетонное крепление / Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х.; Заяв. 16.10.2000; опубл. 20.03.2003.

Размещено на Allbest.ru