Дослідження роботи низьких заторлюваних напівзагат на прямо- і криволінійних ділянках гірських річок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Міжнародний економіко-гуманітарний університет імені академіка С. Я. Дем'янчука

Дослідження роботи низьких затоплюваних напівзагат на прямо- і криволінійних ділянках гірських річок

Щодро О.Є., к.т.н., доцент

Напримерова О.П., старший викладач

Шитов В.М., інженер.

Анотація

Проведено лабораторні гідравлічні дослідження роботи низьких затоплюваних напівзагат, косо розташованих відносно потоку як наносорегулюючих споруд. Відмічається, що навіть на крутих поворотах русла напівзагати даного типу, розташовані під гострим кутом назустріч потоку, суттєво перебудовують гідравлічну структуру потоку, попереджуючи розмив ввігнутого берега і зменшуючи винос наносів із зони розмиву.

Annotation

Laboratory hydraulic researches were conducted concerning the work of low submerged spur-dykes located near the concave bank slantwise towards to a flow as a sediment control structures. It is marked, that even on abrupt bends submerged spur-dykes located by sharp corners towards of a flow, essentially reorganize the hydraulic structure of a flow, preventing scouring and carrying-out the alluvium from a zone of erosion.

Виклад основного матеріалу

Актуальність роботи витікає з необхідності проведення широкомасштабних робіт в галузі регулювання передгірських ділянок річок, зокрема, на річках Карпатського регіону. Саме регулювання річок є найбільш дешевим і раціональним засобом впливу на природні гідроморфологічні процеси, а також екосистему даної річки і всього регіону.

Наукова новина полягає у результатах лабораторних досліджень структури потоку на прямолінійних і криволінійних ділянках річок із розміщенням біля розмивного берегу низько затоплюваних напівзагат, косо розташованих відносно течії назустріч потоку. Останнім часом було проведено спеціальні дослідження напівзагат на крутих поворотах річкових русел (з відношенням радіуса поворота русла до його ширини R/B?2,5).

Об'єктом дослідження є ділянки річок з розмивними берегами та захисні і берегозахісні споруди. потік річка затоплюваний напівзагата

Предметом дослідження є кінематична структура потоку і місцеві розмиви біля берегів і напівзагат.

В роботах [1,2] описано звальні течії, що пов'язані з натіканням потоку на перешкоду і поворотом його до берега. Саме при звалах на передгірських ділянках річок в місті звалу формується потік з високими уклонами, що пов'язане з місцевим підпором перед перешкодою. На рис.1 видно, що базис ерозії біля звального берегу значно нижче русла. Можливо й натікання потоку на локальну перешкоду біля ввігнутого берега (Рис.2).

Рис. 1 Розчистка русла карпатської Рис.2 Потік натікає на річки після розмиву звальною течією перешкоду біля берега

Проведено лабораторні гідравлічні дослідження, методика яких та параметри дослідів описані у роботах [3-5]. Метою досліджень було створення рекомендацій до проектування берегозахисних споруд, призначених для захисту звальних берегів, які зазнають найістотнішої деформації в природних умовах. В задачі дослідження входило вивчення елементів кінематичної структури потоку біля берега, без встановлення напівзагат і при їх наявності, а також значення глибин місцевих розмивів біля берега та голів штучних споруд. Експерименти проводилися на жорсткій та розмивний моделях штучного прямолінійного та криволінійного русел, причому відносна кривина русла змінювалася в межах R/B=3…5. Проводилися також модельні гідравлічні дослідження конкретних об'єктів регулювання, наприклад, ділянки річки Лючка Івано-Франківської області в не спотвореному масштабі 1:40 на нерозмивній моделі та з моделюванням пофракційного складу донних відкладень на розмивній моделі.

На жорсткій моделі вивчалося поле актуальних та осереднених швидкостей біля дна, а на розмивний моделі - в кількісно-відносному розумінні вивчалася розмивна спроможність потоку для варіантів русла без споруд і напівзагат різних конструкцій та параметрів. На основі проведених досліджень розроблено рекомендації [6]. В подальшому було розроблено методику розрахунку місцевих розмивів в незв'язному неоднорідному грунті біля берегів річок та руслових споруд [7-8]. При цьому враховується ряд факторів:

· надходження транзитних наносів в лійку розмиву;

· формуванні відмостки та зміна складу ґрунту при його переробці потоком;

· зміна геометрії лійки та його кінематичних характеристик в процесі розмиву.

При визначенні розрахункових значень актуальних та осереднених швидкостей біля дна в зоні розмиву було покладено ідею про те, що найбільш інтенсивне винесення наносів має місце при розвинутої гвинтоподібної течії, яка виникає в лійці розмиву біля перешкоди, або за донною грядою на початковій ділянці русла [1,7,9].

З метою аналізу ефективності роботи напівзагат дамо опис основних закономірностей їхньої роботи у водному потоці. Загальний характер протікання потоку в межах штучного русла (на моделі) характеризується тим, що поверхневі струмини при переливі води через напівзагати дещо відхиляються від берега, який в природніх умовах найбільше зазнає деформації, а донні, навпаки, - різко повертають до нього. Кут такого відхилення потоку складає 3-15 градусів. Причому він збільшується зі збільшенням степені затоплення споруди.

Особливо чітко це прослідковується при роботі системи напівзагат в прямолінійному руслі, яка має більший вплив на потік, ніж одиночна напівзагата. Відхилення від берега поверхневих струмин, які мають значно більше швидкості, зменшує небезпеку розмиву укосу берега біля напівзагат і за нею. Цей факт підтверджується і тим, що поверхневі швидкості в міжнапівзагатних проміжках, заміряні за допомогою поплавків, виявляються істотно меншими швидкостей у звуженій частині русла. Так, при ступені вертикального звуження д=0,2, вони виявляються в меншими в 1,2 рази, а при д=0,5 - в 2,5 рази.

Загальний характер і глибина розмиву дна у напівзагат з кутами встановлення відносно берега б характеризується фотографіями лійок розмиву з вкладеними горизонталями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Розмив біля берега річки Рис. 4 Розмив біля берега річки Лючки без напівзагат Лючки з напівзагатою ()

Рис. 5 Розмив біля берега Рис. 6 Розмив біля берега річки

Лючки з напівзагатою () Лючки з системою напівзагат

Типовою формою лійки розмиву в плані є витягнута вздовж течії ложбина, яка звужується в цьому напрямі. Більша частина цієї ложбини розміщена нижче голови напівзагати. Найбільш круті відкоси формуються на початку ложбини і поступово вирівнюються до її кінця. Простір безпосередньо нижче напівзагати в усіх випадках заноситься наносами, винесеними з лійки розмиву, в чому і проявляється основна захисна дія таких напівзагат.

Характерний приклад - переформування дна в районі одиночної напівзагати представлений на Рис. 4, 5. У лійці розмиву, біля її верхового відкосу, формується підковоподібний вихровий шнур, який сприяє виносу наносів з лійки вниз за течією. Простір між напівзагатами повністю заносився піском, винесеним потоком з лійок розмиву, які лежать вище напівзагат.

Максимальні розмиви дна розміщуються безпосередньо біля голови напівзагат з невеликим зміщенням вниз по течії.

Вимірювання глибин у лійках розмиву і середніх швидкостей потоку на цій же вертикалі дали змогу визначити максимальну питому витрату води в місці максимального розмиву, а співставлення його із значенням, знайденим за отриманою нами раніше формулою [3,4], давало величину коректуючого коефіцієнта к, який характеризує збільшення максимальних питомих витрат, викликане утворенням лійок розмиву. Значення цього коефіцієнта для умов усіх дослідів біля одиночної напівзагати та напівзагат, які працюють в системі, виражаються формулою

де -відношення глибини розмиву до битової глибини потоку.

Наведена формула дає максимальне відхилення значень к від експериментальних значень не більше 15%. Таким чином, можна зробити висновок про те, що при відносному плановому стисненні потоку одиничною напівзагатою до 0,48 напівзагата не впливає на протилежний берег, тобто в цьому діапазоні вона працює в режимі короткої напівзагати.

Аналогічні дослідження для системи з трьох напівзагат свідчать про те, що при відносному плановому стисненні потоку вище 0,4 відносна глибина у лійці розмиву різко зростає при незмінному значенні відносної довжини напівзагати. Таким чином, починаючи з цього значення відносно планового стиснення потоку, система працює в режимі довгих напівзагат і може викликати розмив протилежного берега, що необхідно враховувати при регулюванні річок, затоплюваних напівзагатами.

Вплив лійки розмиву на пульсацію донної швидкості у лійці проявляється при порівнянні значень відносної донної актуальної швидкості 1% забезпеченості до осередненої донної швидкості на підході до напівзагати U_од/V_од і у лійці розмиву U_д/V_д.

Як це слідує з даних дослідження, біля одиночної напівзагати і біля декількох напівзагат, які працюють в системі, зростання пульсації швидкостей у лійці розмиву у місці її максимального заглиблення не відмічається в обох випадках. Проте збільшення пульсації у лійці розмиву зменшує величину допустимої нерозмивної середньої швидкості на вертикалі, але більш різкий перерозподіл осереднених швидкостей по вертикалі у лійці розмиву у порівнянні з їх розподілом в рівномірному потоці, навпаки, збільшує допустиму нерозмивну швидкість. Таким чином, ці два явища у деякій мірі компенсуються і, отже, можна розраховувати, що використання при визначені глибини лійки розмиву допустимої нерозмиваючої середньої швидкості для рівномірного потоку не приведе до помітної помилки.

Загальна циркуляція потоку на повороті криволінійного русла русла, як і місцева, викликана роботою косо розміщених до потоку затоплюваних напівзагат.

В дослідах чітко прослідковується збільшення інтенсивності загальної циркуляції в потоці із збільшенням кута повороту від 60° до 135°, яка також зростала при збільшенні глибини потоку і зменшенні радіуса заокруглення, про що свідчить більш крутий поворот донних струмин до випуклого берега.

Цікавим є той факт, що, незважаючи на інтенсивну загальну циркуляцію, затоплювані напівзагати створюють місцеву циркуляцію з напрямом струменів, протилежних до напряму струменів основної циркуляції. В результаті цього наноси, які попадають в циркуляційну течію, утворювану напівзагатами, спрямовують свій рух не до випуклого, а до ввігнутого берега, захищаючи його тим самим від розмиву. Прослідковується також сприятливий вплив напівзагат на поверхневі потоки, які при переливі через напівзагати відхиляються від увігнутого берега, що також сприяє його стійкості.

Характер розподілу швидкостей по перерізу русла відображає відому кінематичну картину протікання потоку на заокругленні, де швидкості дещо зростають біля випуклого берега на початку заокруглення. Потім швидкості вирівнюються по ширині всередині заокруглення і зростають біля ввігнутого берега на виході із нього. Аналогічно цьому будувались епюри середніх швидкостей, які використовувались надалі у якості вихідних для визначення розрахункових значень питомих витрат у кутів окремих напівзагат.

Як це слідує з наведеної фотографії (рис. 6), невеликий розмив має місце біля останніх двох напівзагат. Характерною є форма розмиву дна в плані, яка представляє собою витягнуту ложбиноподібну вимоїну, в якій лінія дна з максимальними розмивами проходить біля голів наівзагат, тобто окремих ізольованих лійок розмиву біля голів напівзагат не спостерігається. Навіть при максимальному розмиві дна в три із зайвим метри укіс захищуваного ввігнутого берега на підмивається, а кореневі ділянки напівзагат заносяться наносами до самого гребеня напівзагати.

Залежність відносної глибини у лійці розмиву від кута поворота потоку і відносної висоти напівзагати біля останньої напівзагати системи свідчить, що максимальні розмиви тут мають місце при б=90°. Вони зростають із збільшенням відносної висоти напівзагати.

Зміна рівня пульсації донних швидкостей у лійках розмиву за напівзагатами на криволінійній ділянці русла у порівняння з рівнями із рівнем пульсації в тих же місцях до установки напівзагат характеризується тим, що, як правило, ці відношення мало відрізняються від вихідного, що дає змогу зробити висновок про можливості і в цьому випадку не враховувати при розрахунку розмиву дна біля напівзагат зміну розмивної здатності потоку, пов'язаною із зміною рівня пульсації швидкостей. Деяке збільшення рівня пульсації у лійках розмову спостерігається при зростанні уклона дна.

Рис. 7 Робота низьких напівзагат на крутому повороті русла R/B=2.0

На крутих поворотах русла низькі напівзагат повинні розташовуватися під кутом 35-40 градусів відносно потоку (Рис.7). Відносна висота таких споруд над дном повинна задовольняти умові

Висновок

Проведені дослідження свідчать про позитивну роль низьких затоплюваних напівзагат як з точки зору русло регулюючих споруд, так і з точки зору екологічних споруд, які суттєво активізують масообмін у потоці. Споруди такого типу мало збурюють потік, м'ягко впливають на нього, і тому розмиви біля їх голів мають невеликі глибини і планові розміри.

Література

1. Щодро О.Є., Шинкарук Л.А.,Корбутяк В.М.,Шитов В.М. Катастрофічні розмиви, пов'язані зі звальними течіями, та їх зв'язок з геоморфологією. // Науково-технічний збірник НТУ Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Вип. 72. К., 2004. с.186-193.

2. Щодро О.Є., Пацелюк В.Г, Фесун А.В. Дослідження звальних течій та транспортування наносів на гідравлічній моделі Вісник Рівненського державного технічного університету Збірник наукових статей. Рівне, 2000, Вип.2(4), С. 99-103.

3. Кириенко И.И., Щодро А.Е. Структура потока у низких затапливаемых полузапруд // Гидравлика и гидротехника. Республ. межвед. науч.техн. сборник. Вып. 28. К.: Техника, 1979.

4. Щодро О.Є. Мiсцеві розмиви та кінематика потоку бiля оголовкiв пiвзагат та мостових опор // Матеріали ювілйної конференції УДАВГ, присвяченій 75-річчю академії. Рівне, 1997.

5. И.И.Кириенко, В.Д. Шуминский, Л.А. Шинкарук. Рекомендации по проектированию затапливаемых полузапруд на реках Карпат. Ровно: Минводхоз УССР, УИИВХ, 1986.

6. Щодро О.Є., Шинкарук Л.А., Напримєрова О.П. Методи розрахунків регуляційних споруд на передгірських ділянках річок. //Автомобільні дороги і дорожне будівництво. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип. 73. К.: УТУ, 2006. с. 354-357.

7. Методика розрахунку розмивів дна та берегів передгірських ділянок річок та місцевих розмивів біля річкових гідротехнічних споруд. МРР 218-02070915-231-2003. Державна служба автомобільних доріг України (УКРавтодор) Національний транспортний університет України.

8. Shchodro A.E., Local Scour Investigation on Steep River Bends in Ukrainian Carpathian. Proceedings of the Tenth International Symposium on River Sedimentation. Effects of River Sediments and Channel Processes on Social, Economic and Environmental Safety, august 1-4, 2007, Moscow, Russia, V. 3, p. 275-284.

9. Бухин М.Н., Кириенко И.И., Щодро А.Е. Экспериментальные исследования полузапрдуды сквозной конструкции // Мелиорация и водное хозяйство. Вып. 69 - К.: Урожай, 1988. С. 63-69.

Размещено на Allbest.ru