Влияние эксплуатационных факторов на пропускную способность земляных русел каналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние эксплуатационных факторов на пропускную способность земляных русел каналов

Рассматривается влияние различных эксплуатационных факторов на пропускную способность земляных русел каналов: русловых деформаций, заиления, зарастания водной растительностью. Представлены расчетные формулы для определения коэффициентов шероховатости в случае русловых деформаций и зарастания каналов. Приведены результаты обобщения натурных исследований влияния зарастания русел на коэффициенты шероховатости и гидравлических сопротивлений.

В настоящее время подавляющее большинство (около 70 %) каналов оросительных систем выполнено в земляном русле. К их числу относится и ряд крупных каналов переброски стока на Юге России: Донской магистральный, Невинномысский, Терско-Кумский, Большой Ставропольский (I очередь), Право-Егорлыкский, Кумо-Манычский. Общая протяженность только крупных оросительных каналов на Юге России с расходом более 10 м3/с составляет 23128 км [1].

Согласно В. С. Алтунину [2], каналы в земляном русле по условиям работы разделяют на устойчивые (статические или динамические) и неустойчивые. При этом к устойчивым каналам относят те каналы, которые сохраняют неизменными очертания поперечного сечения, продольный уклон и положение в плане; а к неустойчивым - каналы, в которых могут наблюдаться процессы размыва или/и заиления.

Статически устойчивые каналы характеризуются неизменной геометрической формой в процессе их эксплуатации. Средние скорости течения таких каналах, как правило, не превышают допускаемых не размывающих U/U0 < 1,0, а любые деформации русла - полностью отсутствуют.

В динамически устойчивых каналах геометрическая форма сохраняется при условии некоторого количества донных наносов, а отношение средней скорости к допускаемой не размывающей изменяется в пределах U/U0 = 1,1-1,3.

Для неустойчивых каналов движение наносов приводит к образованию крупных русловых деформаций в виде гряд, побочней и меандр, изменяющих первоначальное очертание поперечного сечения при отношении скоростей U/U0 > 1,3.

Следует отметить, что русловые деформации в основном наблюдаются для крупных каналов динамически устойчивых и неустойчивых. Для мелких каналов деформации происходят в виде обрушения откосов и заиления русла.

В процессе длительной эксплуатации таких каналов характерно образование различных процессов, влияющих в той или иной степени на пропускную способность земляных русел [2]:

- деформация русел;

- русловые явления;

- заиление;

- подмывы берегов;

- зарастание водной растительностью;

- обрушение откосов;

- «подсечки» откосов русла в зоне уреза воды.

Указанные эксплуатационные факторы могут оказывать дополнительные сопротивления для потока, снижая пропускную способность русла.

Как известно, пропускная способность русел каналов при равномерном движении рассчитывается по формуле Шези:

,

деформация канал эксплуатационный

где щ - площадь живого сечения потока;

С - коэффициент Шези;

R - гидравлический радиус;

J - уклон водной поверхности, который при равномерном движении принимается равным уклону дна i.

При условии постоянства щ, R, J в формуле (1) пропускная способность будет зависеть от коэффициента Шези С, который, собственно, и учитывает основное сопротивление при движении потока.

Если использовать наиболее простую зависимость для определения коэффициента Шези - формулу Маннинга:

то наглядно видно, что коэффициент Шези зависит обратно пропорционально от параметра шероховатости русла - коэффициента шероховатости n. Следовательно, чем больше коэффициент шероховатости n, тем меньше коэффициент Шези и, соответственно, пропускная способность (расход) русла.

Часто в гидравлике коэффициент Шези связывают с другим параметром - коэффициентом гидравлических сопротивлений (коэффициентом Дарси) л в виде соотношения:

Гидравлические сопротивления и шероховатость русел каналов могут быть определены по данным натурных наблюдений из формул (1)-(3) как:

деформация канал эксплуатационный

где U - средняя скорость потока в живом сечении, определяется по зависимости .

Отсюда анализ влияния эксплуатационных факторов на пропускную способность русла каналов может быть проведен по двум параметрам - n и л.

Рассмотрим далее оценку и соответствующие зависимости для определения дополнительных сопротивлений, возникающих при различных деформациях русел и зарастании водной поверхности.

Достаточно часто встречаемыми деформациями земляных русел каналов при их эксплуатации являются размывы, намывы и обрушение откосов.

В монографии И. Ф. Карасева [4] приведены данные натурных наблюдений на Невинномысском канале в земляном русле по коэффициентам шероховатости. Согласно этим исследованиям, коэффициент шероховатости участков канала без деформаций русла составил 0,020, а при наличии деформаций русла в виде размыва и намыва (заиления) он увеличивается до 0,0225-0,0250, что составляет от 12,5 % до 20 % по сравнению с деформируемым руслом.

Учитывая эти данные, можно приближенно учесть влияние деформаций земляных русел канала на шероховатость (гидравлические сопротивления) и пропускную способность с помощью дополнительного сопротивления лдеф к коэффициенту лД, отражающему зернистую шероховатость:

где - при размыве русла;

- при намыве (заилении) русла.

На каналах в земляных руслах при определенных условиях [2, 3] могут образовываться русловые деформации в виде рифелей (мелких форм донного рельефа) и гряд (более крупных форм).

Г. В. Железняков в этом случае рекомендует находить суммарный коэффициент гидравлического сопротивления как сумму сопротивления зернистой шероховатости лД и грядовой лг:

Из данного выражения (7) с учетом соотношения (3) получим:

Коэффициент Шези зернистой шероховатости в формуле (8) определяется по обычным формулам гидравлики (Маннинга, Павловского, Агроскина), а для грядовой шероховатости рекомендуется формула В. С. Кнороза [6]:

где - относительная высота гряды;

lг - длины гряды;

- крутизна гряды.

По результатам выполненных исследований В. И. Елфимовым [6] с использованием натурных данных, получены следующие зависимости для коэффициента шероховатости дюнно-грядового рельефа:

для дюнного рельефа (dср ? 0,5 мм; Fr ? 0,17):

для грядового рельефа (dср > 0,7 мм; Fr > 0,22):

,

где hд, hг - высота дюн и гряд;

U - средняя скорость течения воды в русле;

U0 - не размывающая скорость, по Ц. Е. Мирцхулаве;

Uд, Uг - скорость начала образования дюнно-грядового рельефа:

; .

Основной интегральной характеристикой шероховатости русла является коэффициент шероховатости n, который учитывает как зернистую шероховатость, так и макрошероховатость [2].

Из формулы Шези следует, что коэффициент шероховатости зависит от трех переменных n = n (R, J, U), т.е. от гидравлического радиуса R, характеризующего форму русла, продольного или гидравлического уклона J и средней скорости в живом сечении потока U.

В работе В. С. Алтунина и Л. В. Ларионовой [10] установлена взаимосвязь коэффициента шероховатости и кинематического показателя x для несвязных песчаных грунтов русла с осветленным потоком (с < 0,5 кг/м3), по данным исследований Каракумского канала в виде соотношения:

а также зависимость коэффициента шероховатости от относительной ширины потока :

где ;

В - ширина русла канала по урезу воды;

hср - средняя глубина русла.

Анализ результатов наблюдений за гидравлическими параметрами Каракумского канала показал, что одним из определяющих критериев взаимодействия оттока и деформируемого русла является относительная скорость , и относительная ширина русла .

Исходя из вышеизложенного, В. С. Алтуниным и Л. В. Ларионовой [10], предложена следующая зависимость:

Одним из основных факторов на малых и крупных каналах с расходом до 50 м3/с, существенно влияющих на пропускную способность земляных русел, как показывают данные натурных исследований, является зарастание их полупогруженной (камыш, рогоз, осока) и погруженной (рдест, роголистник, хара и др.) водной растительностью.

Автором проведены теоретические исследования и получены расчетные формулы для определения коэффициента шероховатости для наиболее общего случая с учетом береговой растительности и водорослей, а также случайного характера их распределения [8].

Общий вид зависимости для вычисления коэффициента шероховатости заросшего русла канала имеет вид:

где n, n0 - коэффициенты шероховатости соответственно заросшего и не заросшего русла;

U, U?0 - средние скорости течения в заросшем и не заросшем русле;

Uр, Uвод - средние скорости части русла с растительностью и водорослями;

ч0, чр, чвод - смоченные периметры не заросшей части русла, с растительностью и водорослями;

Сд - коэффициент лобового сопротивления растений;

- средняя густота растений на единицу площади;

л?р, л?вод - коэффициент гидравлического сопротивления части русла с растительностью и водорослями;

, - средняя интенсивность растительности и водорослей;

PN, P1 - вероятность распределения растительности и водорослей;

, hр - средний диаметр растений и глубина воды на части русла с растительностью.

Полагая, что , , , - получим приближенную зависимость для оценки коэффициента шероховатости заросшего русла канала:

.

При полном зарастании русла и отсутствии водорослей (когда ч0 = 0, чр = ч, л?р = 0, лвод = 0, Uр = U) зависимость для коэффициента шероховатости имеет вид:

,

Пренебрегая в выражении (17) единицей без учета случайного характера распределения растительности, получим зависимость, которая совпадает с известной формулой Э. Л. Беновицкого:

,

Значения коэффициентов гидравлических сопротивлений л?вод можно получить в результате расчетов по данным натурных исследований канала в бетонном русле Бг-Р-7 [8], которое составило л?вод = 0,256.

Анализ расчетов по вышеприведенным формулам позволяет сделать следующие выводы [8]:

- при степени зарастания русла канала водной растительностью < 0,4 коэффициент шероховатости заросшего русла изменяется несущественно (не более 25-30 %);

- при степени зарастания > 0,6 коэффициент шероховатости резко возрастает и может превысить коэффициент шероховатости незаросшего русла в 8-10 раз;

- влияние водорослей на коэффициент шероховатости русла ощутимо сказывается при > 0,2 (более чем в 2,5 раза), а при > 0,4 он увеличивается по сравнению с не заросшим руслом более чем в 10-100 раз;

- случайный характер распределения растительности существенно сказывается на увеличении коэффициента шероховатости русла при густоте растительности > 10 шт./м2, а при меньшем значении это влияние пренебреженно мало (не более 5-10 %).

Для изучения характера изменения коэффициентов шероховатости земляных русел каналов используем данные натурных наблюдений по 15 каналам, в основном Северного Кавказа [9], на основании которых построим обобщенные графики зависимостей n = n(Q) и л = л(Q) (рисунок 1а, б).

Анализ натурных данных коэффициентов шероховатости (n) в зависимости от расходов воды в каналах (рисунок 1а) позволяет выделить две зоны распределения шероховатости земляных русел: с нижней границей, соответствующей минимальным значениям n, и верхней границей с максимальными значениями n. Штриховую линию, проведенную приближенно, можно принять за границу раздела двух зон: нормального состояния и области повышенных коэффициентов шероховатости, обусловленных существенным влиянием различных факторов эксплуатации (деформаций русла, зарастанием, заилением).

Для земляных русел каналов (Азовский МК и Солдатский I), где в процессе исследований было отмечено сильное зарастание водной растительностью (камышом) [7, 8], значения коэффициентов n достигают максимума 0,055-0,060, которые превышают для соответствующих расходов при нормальном состоянии земляных русел (Нижне-Донской МК, Бг-Р-6 и Солдатский II) в 2,2-2,4 раза. Однако такое большое влияние зарастания каналов на коэффициент шероховатости характерно только для малых и средних каналов с расходами от 1,0 до 75,0 м3/с. Для крупных каналов при расходах более 75,0 м3/с влияние зарастания существенно уменьшается. Так, при расходах от 75,0 до 90,0 м3/с коэффициенты n максимально повышаются в 1,3-1,45 раз, а при Q от 90,0 до 200,0 м3/с - в 1,20 раз.

Кроме того, при одном и том же состоянии русел, в том числе нормальном, коэффициенты n с увеличением расходов снижаются. Это также подтверждается исследованиями на 1-ой очереди Большого Ставропольского канала [8].

Аналогичные закономерности распределения также наблюдаются для гидравлических сопротивлений л в зависимости от расхода (рисунок 1б).

Рисунок 1. Графики зависимостей n = n(Q) и л = л(Q) для каналов в земляном русле

Сравнивание полученных графических зависимостей позволяет заключить следующее.

1 Нижняя граница зоны шероховатости и гидравлических сопротивлений представляет собой плавную кривую асимптотически приближающую к горизонтальной. Верхняя граница зоны n и л характеризуется резким изменением кривой вначале, которая затем выполаживается и также асимптотически приближается к горизонтали.

2 Влияние зарастания русел каналов особенно сильно проявляется вначале зон n и л при относительно небольших расходах от 1,0 до 20,0-30,0 м3/с. Здесь значения коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений при зарастании превышают их по сравнению с нормальным состоянием русел каналов более чем в 2 раза.

Список использованных источников

деформация канал эксплуатационный

1. Щедрин, В. Н. Безопасность гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. И. Шкуланов. - М.: Росинформагротех, 2011. - 268 с.

2. Алтунин, В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах / В. С. Алтунин. - М.: Колос, 1978. - 25 с.

3. Железняков, Г. В. Пропускная способность русел каналов и рек / Г. В. Железняков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 311 с.

4. Карасев, И. Ф. Русловые процессы при переброске стока / И. Ф. Карасев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 288 с.

5. Чоу, В. Т. Гидравлика открытых каналов / В. Т. Чоу: [пер. с англ.]. - М.: Стройиздат, 1969. - 464 с.

6 .Рабкова, Е. К. Проектирование и расчет оросительных каналов в земляном русле / Е. К. Рабкова. - М.: УДН, 1990. - 252 с.

Размещено на Allbest.ru