Коренное улучшение затруднительного участка реки комплексом дноуглубительных и выправительных работ

Размещено на http://allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

Кафедра водных путей и водных изысканий

Курсовой проект

Коренное улучшение затруднительного участка реки комплексом дноуглубительных и выправительных работ

Выполнил: студент Мусаев Ш.Р.

Проверила: Селезнёва Н.В.

Санкт-Петербург

2014



1. АНАЛИЗ РУСЛОВЫХ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЙ УЧАСТКА

Установление тенденции развития русла на затруднительном участке в целом и на отдельных его узлах называется анализом русловых переформирований. Изучение переформирований русла за предыдущие годы позволяет предсказать направление и интенсивность переформирований участка в будущем, что необходимо для оценки проектируемых судового хода и выправительной трассы.

Анализ производится на основе изучения сопоставленных планов затруднительного участка. Для получения отчётливой картины переформирований необходимо составить совмещённые планы с обозначением зон намыва и размыва. Совмещение производится только по нулевой изобате (урезу). Совмещаются попарно планы смежных по времени съёмок. В данной работе при наличии трёх планов 1940, 1946 и 1956 гг. сопоставляются два совмещённых плана 1940 - 1946 и 1946 - 1956 гг. Анализируется также положение берегов и судового хода в рассматриваемый период времени.

Приводимый в пояснительной записке анализ переформирований должен строиться на основе описания последовательного изменения отдельных русловых образований: кос, побочней, осерёдков, островов и тому подобное. Для этого удобно все такие образования, имеющиеся на первом по времени сопоставленном плане, удобно пронумеровать в порядке их расположения сверху вниз по течению. Но ввиду малого количества русловых форм, представленных на планах (верхний и нижний побочни и осерёдок/остров), в данном случае можно обойтись без этого.

На совмещённом плане за 1940 - 1946 гг. видно, как из осерёдка, бывшего раньше частью мощного нижнего побочня, через корневую часть которого развилась спрямляющая протока, образуется остров. Этот вывод основывается на изменении распределения наносов. Приверх острова и его ухвостье нарастают за счёт намыва наносов, тогда как с боков происходит его размыв. Правый рукав становится больше и оказывает влияние на нижний побочень, который интенсивно размывается. Также происходит размыв верхнего побочня. Отложение частиц в небольшом количестве наблюдается после ухвостья острова на обоих берегах. Положение судового хода и бровок остаётся примерно одинаковым.

На совмещённом плане за 1946 - 1956 гг. происходят интенсивные изменения на участке реки. Левая часть приверха острова, выступавшая в русло, полностью размывается. Такая же участь постигает и правую часть приверха острова. Ухвостье острова полнилось наносами и смесилось ближе к левому берегу, причём его правая часть оказалась размыта потоком. В то же время на верхнем побочне происходит отложение огромного числа частиц, и он начинает сильно стеснять русло реки. Также происходит намыв русловых частиц на нижнем побочне, в особенности на нижнем его участке. В итоге разница между двумя рукавами потока становится значительно менее выраженной, а в результате интенсивного намыва верхнего побочня ось судового хода смещается из левого рукава в правый. Положение бровок за это время меняется слабо.

Исходя из произошедших русловых переформирований на участке, можно предположить, что в течение некоторого промежутка времени левый рукав будет заноситься всё сильнее, пока не произойдёт соединение острова и левого берега. Ввиду уменьшения площади поперечного сечения потока возрастут скорости течения, результатом чего будет размыв правого берега. В итоге участок реки станет сильно искривлённым, что будет создавать большие трудности для судоходства.



2. РАСЧЁТ ШИРИНЫ ВЫПРАВИТЕЛЬНОЙ ТРАССЫ

Ширина выправительной трассы рассчитывается двумя способами:

- с помощь графика связи между ширинами и наибольшими глубинами русла;

- по гидравлико-морфометрическому способу.

Ширина выправительной трассы B_т определяется при проектном уровне воды H_пр.

Для расчёта ширины трассы по первому способу на рассматриваемом участке реки выбирается 10 ч 15 характерных сечений на гребнях перекатов, в серединах плёсовых лощин и на участках перехода плёсовых лощин в перекаты.

В данной работе рассматривалось 10 сечений. В этих характерных сечениях определяют значения ширины и максимальной глубины русла при проектном уровне, которые заносят в табл. 1. По полученным данным строят график h_max = f(B), на котором проводится нижняя огибающая поля точек. Значение ширины выправительной трассы снимается с этой линии по величине расчётной глубины T_р, определяемой по формуле:

T_р = T_г + Дh = 1,6 + 0,2 = 1,8 м,

где

T_г - гарантированная глубина судового хода, T_г = 1,6 м;

Дh - поправка на неточность планового материала, которая для рек с гарантированными глубинами до 2,0 м принимается равной 0,2 ч 0,3 м, а для рек с гарантированными глубинами более 2,0 м - равной 0,4 ч 0,5 м, Дh = 0,2 м.



Таблица 1

Значения ширин и максимальных глубин русла в расчётных сечениях

№ сечения	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
B, м	183,7	165,6	149,7	170,4	122,0	166,6	154,6	174,6	187,8	173,4
hmax, м	2,04	1,73	1,3	2,0	2,0	2,12	1,93	1,64	1,68	1,54

По графику h_max = f(B) видно, что при расчётной глубине T_р = 1,8 м значение ширины выправительной трассы B_т = 125,85 м.

Расчёт по гидравлико-морфометрическому способу производится аналитически, то есть при условии постоянства безразмерной величины з = 0,8. Расчёт выполняется для всех перекатов участка. Для этого на плане участка назначаются сечения по гребням всех перекатов и вычерчиваются профили русла при проектном уровне H_пр. Подсчитываются основные элементы русла: ширина по зеркалу воды B_б, площадь поперечного сечения щ_б, средняя глубина h_б = щ_б / B_б. Эти величины используются для вычисления ширины трассы B_т по формуле:

B_т = 1,4 · B_б · (h_б / T_г)^3/2.

За расчётные сечения в данной работе приняты 10 ранее использовавшихся для расчёта ширины выправительной трассы сечений. Результаты расчёта приводятся в табл. 2.

Таблица 2

Расчёт ширины выправительной трассы по гидравлико-морфометрическому способу

№ сечения	Bб, м	щб, м2	hб, м	Bт, м
1	183,7	250,68	1,36	202,57
2	165,6	185,54	1,12	135,85
3	149,7	173,19	1,16	128,86
4	170,4	208,55	1,22	159,60
5	122,0	164,66	1,35	132,33
6	166,6	221,72	1,33	176,94
7	154,6	230,12	1,49	194,21
8	174,6	227,43	1,30	179,56
9	187,8	214,31	1,14	158,37
10	173,4	185,87	1,07	133,12

Из рассчитанных значений ширины выправительной трассы выбирают три наименьших, определяют среднее из них и сравнивают его с величиной B_т, полученной с помощью графика h_max = f(B). Если два сравниваемых значения B_т оказываются близкими друг к другу (расходятся не более, чем на 20 ч 25 %), берут среднее из двух сравниваемых значений. В противном случае за расчётное принимается значение ширины выправительной трассы B_т, снятое графика h_max = f(B).

В данной работе осреднённая из трёх наименьших значений величина B_т составляет:

B_т.оср = (B_т3 + B_т5 + B_т10) / 3 = (128,86 + 132,33 + 133,12) / 3 = 131,44 м.

Видно, что два сравниваемых значения B_т близки друг к другу, поэтому находится среднее из двух сравниваемых значений:

B_т = (125,85 + 131,44) / 2 = 128,64 м ? 130 м.



3. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ КОРЕННОГО УЛУЧШЕНИЯ СУДОХОДНЫХ УСЛОВИЙ УЧАСТКА РЕКИ

3.1 Варианты схемы коренного улучшения участка

Трасса принятой ширины наносится на план участка с учётом общих принципов её начертания. Главные общие принципы приложения выправительной трассы в русле реки сводятся к следующему:

- трасса всюду, где возможно, должна одной кромкой опираться на ведущий берег русла;

- на участках рек с двусторонней поймой, где приблизить трассу к неразмываемому берегу не удаётся, следует придавать трассе криволинейное очертание, располагая её по возможности в пределах зон размыва дна;

- места переходов от кривой одного знака кривизны к кривой другого знака желательно приурочивать к устойчивым участкам берегов;

- необходимо избегать приложения трассы по участкам русла с интенсивным движением наносов.

Разрабатываются два варианта начертания трассы, например, на участке разветвления русла - проложив её по разным рукавам речного русла, а на однорукавных участках - вдоль одного из берегов или в середине русла. Для каждого из вариантов трассы даётся расположение выправительных сооружений (полузапруд, дамб, береговых укреплений, запруд), а также назначаются прорези и отвалы грунта. Ширина капитальных прорезей принимается равной B_п = (1,2 ч 1,5) · B_г (где B_г - гарантированная ширина судового хода).

В данной работе возможны два варианта начертания трассы:

- вариант I. Ширина выправительной трассы B_т = 130 м. В данном варианте в качестве судоходного рукава принимается правый рукав русла реки. В несудоходном рукаве возводится запруда для перераспределения расхода в судоходный рукав. Выше по течению возводятся полузапруды 1? и 2?, ниже - полузапруды 3?, 4, 5, 6 и 7 для концентрации потока на выправительной трассе. Все полузапруды, кроме полузапруды 4, примыкают к левому берегу. В судоходном рукаве производятся дноуглубительные работы - прорези 1 и 2. По длине судового хода выполняется подрезка уровней, а также прорезь 3 для обеспечения заданных габаритов судового хода. Отвалы располагаются за пределами участка;

- вариант II. Ширина выправительной трассы B_т = 130 м. В данном варианте в качестве судоходного рукава принимается левый рукав русла реки. В несудоходном рукаве возводится запруда для перераспределения расхода в судоходный рукав. Выше по течению возводятся полузапруды 1 и 2, ниже - полузапруды 3, 4, 5, 6 и 7 для концентрации потока на выправительной трассе. Все полузапруды, кроме полузапруд 3 и 4, примыкают к левому берегу. В судоходном рукаве производятся дноуглубительные работы - прорези 1 и 2. По длине судового хода выполняется подрезка уровней, а также прорезь 3 для обеспечения заданных габаритов судового хода. Отвалы располагаются за пределами участка.

Различающимися элементами в вариантах являются первые три полузапруды, запруды и две первые прорези по направлению течения. Остальные выправительные сооружения одинаковы в обоих вариантах.

3.2 Подсчёт объёмов дноуглубительных и выправительных работ и определение их стоимости

Для каждого из вариантов трассы должны быть подсчитаны объёмы и стоимость дноуглубительных работ.

Полезные объёмы выемки по прорезям подсчитываются приближённо: путём умножения площади прорези на визуально оценённую среднюю толщину полезного снимаемого слоя. Объём переуглубления определяется путём умножения площади прорези на величину технологического переуглубления, которая принимается равной 0,7 м. Полный объём выемки получается суммированием полезного объёма и объёма переуглубления.

Суммарный объём работ по всем прорезям умножается на среднюю себестоимость извлечения 1 м³ песчаного грунта - 4,0 у.е., что позволяет определить полную стоимость дноуглубительных работ. Результаты расчётов сводятся в табл. 3.

При определении затрат на выправительные работы предполагается, что полузапруды возводятся из рефулированного или насыпного грунта, а запруды - из каменной наброски.

Объём выправительных работ определяют приближённо, принимая отметки гребней полузапруд и запруд равными + 0,5 м над среднемеженным уровнем воды. Для подсчёта объёмов выправительных сооружений вычерчивают их продольные и поперечные профили и вычисляют среднюю высоту каждого сооружения

P_с = щ / l_с

(где щ - площадь продольного профиля и l_с - длина сооружения). По средней высоте сооружения вычерчивают поперечные профили в форме трапеции с шириной по гребню для сооружений из каменной наброски 2 ч 3 м и откосами: верховым (напорным) 1 : 1, низовым (сливным) 1 : 2. Для сооружений из намывного или насыпного грунта поперечный профиль также имеет форму трапеции с шириной гребня 6 ч 15 м и откосами 1 : 4 и 1 : 6.

Затем определяют площадь поперечного сечения сооружения щ_с и подсчитывают объём сооружения как произведение щ_с на длину сооружения l_с. При подсчёте стоимости выправительных сооружений из каменной наброски средняя себестоимость 1 м³ камня берётся 30 у.е., а для намывных - 6,0 у.е. Результаты расчётов сводятся в табл. 4.

В заключении этого раздела проекта делается выбор окончательного варианта коренного улучшения. Выбор основывается на оценке условий судоходства и затрат по каждому варианту. Решающее значение придаётся судоходным условиям. При этом принимаются во внимание: кривизна судового хода, его просматриваемость, свальные течения и благоприятные русловые переформирования.

Окончательный вариант трассы считается принятым к исполнению, и по нему ведутся все дальнейшие расчёты.

Принятый вариант улучшения разрабатывается в следующих направлениях:

- рассчитываются основные размеры сооружений: высота гребня полузапруды и запруды, длина крепления дна в нижнем бьефе запруды;

- выполняется конструктивная разработка одного из русловых сооружений;

- составляется проект производства работ по возведению сооружения.

Отметки гребней выправительных сооружений приняты равными + 1,0 м над проектным уровнем воды (Н_ср.м = 0,6 м, Н_пр = 0,1 м, Н_гр = 0,6 + 0,5 ? 0,1 = 1,0 м). Ширина запруды по гребню принимается равной 3 м, полузапруды - 6 м.

Таблица 3

Объём и стоимость дноуглубительных работ

№ варианта	№ прорези	Размеры прорези	Средняя полезная толщина снимаемого слоя, м	Полезный объём, тыс. м3	Объём переуглубления, тыс. м3	Полный объём, тыс. м3
		Длина Lп, м	Ширина Bп, м	Площадь Sп, м2
I	1?	425,5	48	20894	0,43	9,05	14,63	23,68
	2?	278,5	48	13555	0,30	4,07	9,49	13,56
	3	294,9	48	13659	0,18	2,50	9,56	12,07
	Подрезка	-	-	12969	0,25	3,29	9,08	12,37
	Общий объём дноуглубительных работ 61,67 тыс. м3
	Стоимость дноуглубительных работ 246,68 тыс. у.е.
II	1??	413,0	48	19521	0,30	5,86	13,66	19,52
	2??	204,6	48	10023	0,35	3,51	7,02	10,52
	3	294,9	48	13659	0,18	2,50	9,56	12,07
	Подрезка	-	-	16909	0,35	5,92	11,84	17,75
	Общий объём дноуглубительных работ 59,87 тыс. м3
	Стоимость дноуглубительных работ 239,46 тыс. у.е.

Таблица 4

Объём и стоимость выправительных работ

№ варианта	№ сооружения	Длина сооружения, lc, м	Средняя высота Pс, м	Площадь поперечного сечения щс, м2	Потребность в материалах	Стоимость, тыс. у.е.
					Камень, тыс. м3	Грунт, тыс. м3
I	1?	91,8	1,33	16,77		1,54	9,24
	2?	117,4	1,14	13,31		1,56	9,37
	3?	79,3	2,35	41,82		3,31	19,89
	4	40,1	1,54	21,08		0,85	5,07
	5	59,2	1,90	29,48		1,74	10,46
	6	83,0	1,15	13,54		1,12	6,74
	7	93,6	1,11	12,87		1,20	7,23
	Запруда	76,9	2,56	17,55	1,35		40,48
	Общая стоимость выправительных работ 108,47 тыс. у.е.
II	1??	80,6	1,99	31,82		2,57	15,39
	2??	89,6	1,00	11,05		0,99	5,94
	3??	61,3	1,51	20,52		1,26	7,55
	4	40,1	1,54	21,08		0,85	5,07
	5	59,2	1,90	29,48		1,74	10,46
	6	83,0	1,15	13,54		1,12	6,74
	7	93,6	1,11	12,87		1,20	7,23
	Запруда	80,8	2,38	15,65	1,26		37,94
	Общая стоимость выправительных работ 96,32 тыс. у.е.

Вывод: после подсчёта общей стоимости выполнения работ видно, что первый вариант схемы улучшения судоходных условий является более затратным. В этом варианте судоходным является правый рукав. Но при рассмотрении вариантов не с точки зрения экономической целесообразности, но с точки зрения судоходных условий, можно сделать следующие выводы:

- судовой ход является более искривлённым во втором варианте, кроме того, на повороте рукава радиус закругления близок к критическому, и просматриваемость судового хода меньше, чем в первом варианте;

- исходя из совмещённого плана за 1946 - 1956 гг. можно сделать вывод о нецелесообразности использования данного рукава в качестве судоходного по причине интенсивной его заносимости, что привело бы к гораздо большим экономическим затратам в долгосрочной перспективе для поддержания на нём судоходных условий.

Исходя из всего вышесказанного, следует в качестве окончательного варианта выправительной трассы принять I вариант, поскольку, несмотря на большую стоимость работ на нём, судоходные условия там являются гораздо более благоприятными по сравнению со вторым вариантом.



4. РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУЗАПРУДЫ

Расчёт элементов полузапруды, возведённой из намывного или насыпного грунта, сводится к определению высоты полузапруды и крупности материала крепления её гребня, а также к проверке отметки гребня полузапруды на пропуск весеннего ледохода.

Высота полузапруд определяется при расчётном уровне воды на 1,5 м выше среднемеженного уровня H_ср.м, при котором они начинают активно перераспределять расход по ширине реки. Расчёт выполняется на примере одной полузапруды, створ которой проходит по гребню переката.

В данной работе разница расчётного и проектного уровней составляет 2,0 м (Н_ср.м = 0,6 м, Н_пр = 0,1 м, Н_р = 0,6 + 1,5 ? 0,1 = 2,0 м), а за расчётную принимается полузапруда 6.

4.1 Расчёт высоты полузапруды

Высота полузапруды определяется по способу ЛИВТа в следующей последовательности:

1) Вычерчивается поперечное сечение в створе полузапруды, на котором показываются проектный и расчётный уровни, а также полузапруда и выправительная трасса.

2) Строится интегральная кривая распределения расхода воды при расчётном уровне H_р = H_ср.м + 1,5 м и определяется расход воды Q_св.б, проходящий в пределах выправительной трассы в бытовом состоянии русла, а также площадь щ_св этой части поперечного сечения.

При построении интегральной кривой необходимо помнить, что полный расход Q, проходящий при расчётном уровне H_р через поперечное сечение шириной B выражается интегралом:



Q = k · ?h^3/2 · db ? k · Уh^3/2 · Дb.

Величина k определяется как отношение заданного расхода воды к величине интеграла:

k = Q / (Уh^3/2 · Дb).

Для построения интегральной кривой распределения расхода воды на характерных вертикалях вычисляют значения h^3/2. Подсчитывают средние значения (h^3/2)_ср в отсеках, расположенных между смежными вертикалями, и для каждого из них вычисляют произведения Дb · (h^3/2)_ср, где Дb - ширина отсека (расстояние между смежными вертикалями).

Последовательно суммируют значения вычисленных произведений Дb · (h^3/2)_ср, то есть таким образом вычисляют значение интеграла ?h^3/2 · db ? У Дb · (h^3/2)_ср для всего поперечного сечения шириной B.

Вычисляют значение коэффициента k для данного поперечного сечения при известном полном расходе воды Q. Затем определяют значения ординат интегральной кривой распределения расхода воды по ширине русла путём умножения результатов последовательного суммирования величин Дb · (h^3/2)_ср на значение коэффициента k. При этом в конце поперечного сечения должен получиться полный расход воды Q = k · У Дb · (h^3/2)_ср.

По данным вычислений строится интегральная кривая распределения расхода воды в поперечном сечении русла и графически определяется значение расхода воды Q_св.б.

3) Подсчитывается потребный расход воды в пределах выправительной трассы Q_св, который может обеспечить необходимый размыв дна в пределах судового хода: Q_св = щ_св · v_р (где v_р - потребная для размыва дна расчётная скорость). Расчётная скорость определяется по формуле:



v_р = 0,8 · K_зап · v_разм,

где

K_зап - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,2 ч 1,4;

v_разм - размывающая скорость.

Размывающая скорость вычисляется по соотношению

v_разм = 1,3 · v_нр,

где v_нр - неразмывающая скорость, определяемая по формуле В.Н. Гончарова:

v_нр = 3,0 · (T · d₅₀ / d₉₀)^0,2 · (d₅₀ + 0,0014)^0,3,

где

d₅₀ и d₉₀ - диаметры частиц грунта, обеспеченные соответственно на 50 и 90 % по кривой гранулометрического состава (указаны в задании);

T = T_г + (H_р ? H_пр) - глубина потока на судовом ходе при расчётном уровне.

По заданию d₅₀ = 0,90 мм, d₉₀ =1,60 мм. Коэффициент запаса K_зап = 1,4.

T = 1,6 + (2,1 ? 0,1) = 3,6 м;

v_нр = 3,0 · (3,6 · 0,0009 / 0,0016)^0,2 · (0,0009 + 0,0014)^0,3 = 0,56 м/с;

v_разм = 1,3 · 0,56 = 0,73 м/с;

v_р = 0,8 · 1,4 · 0,73 = 0,81 м/с;

Q_св = 444,45 · 0,81 = 361,34 м³/с.

4) Вычисляется основной показатель работы затопленной полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла по формуле:



K_св = Q_св / Q_св.б = 361,34 / 452 = 0,8.

Если при расчёте получилось значение коэффициента K_св ? 1,0, то в курсовом проекте при выполнении дальнейших расчётов необходимо условно принять значение K_св = 1,1, что и было сделано в данной работе.

5) Подсчитываются коэффициенты, характеризующие степень затопления полузапруды

K_сл = щ_сл / щ_п

и степень стеснения потока

m = щ_п / щ_г.

Для этого вычисляются величины: щп - часть площади поперечного сечения, перекрываемая полузапрудой; щсл - часть площади поперечного сечения, расположенная над гребнем полузапруды до расчётного уровня воды; щг - полная площадь поперечного сечения при уровне воды вровень с гребнем полузапруды.

Для определения коэффициентов Kсл и m задаются тремя отметками гребня полузапруды Z_г в интервале между проектным H_пр и расчётным H_р уровнями.

Гребень полузапруды принимается горизонтальным. Результаты расчётов сводятся в табл. 5.

В данной работе приняты следующие отметки гребня полузапруды:

Z_г1 = H_пр, Z_г2 = H_ср.м и Z_г3 = H_р.



Таблица 5

Значения коэффициентов, характеризующих степень затопления полузапруды K_сл и степень стеснения потока полузапрудой m

№ п.п.	Отметка гребня Zг, м	щп, м2	щсл, м2	щг, м2	m	Kсл
1	0,1	23,10	158,45	200,70	0,1151	6,8592
2	0,6	55,63	125,92	298,12	0,1866	2,2637
3	2,1	181,55	0	626,00	0,2900	0

6) Строятся кривые зависимости K_сл = f₁(Z_г), m = f₂(Z_г), K_сл = f₃(m). На этот график наносят опытную прямую K_сл = f₄(m, K_св), которая соответствует подсчитанному значению параметра K_св.

Пересечение кривой K_сл = f₃(m) и прямой K_сл = f₄(m, K_св) определяет искомую расчётную отметку гребня полузапруды Z_г.

Z_г = H_пр + 0,87 = 0,1 + 0,87 = 0,97 м ? 1,0 м.

4.2 Проверка отметки гребня полузапруды на пропуск весеннего ледохода

Проверка полученной расчётом отметки гребня полузапруды на пропуск весеннего ледохода выполняется по выражению:

Z_г < (Z_нл ? t_л),

Где Z_нл - отметка низкого уровня весеннего ледохода;

t_л - толщина льда.

Значение низкого уровня весеннего ледохода Z_нл = 2,0 м, а толщина льда принимается равной 0,5 ч 0,8 м, t_л = 0,5 м. 1,0 < (2,0 - 0,5) = 1,5 м.

Поскольку условие соблюдается, никаких дополнительных мер не требуется.



4.3 Расчёт крупности материала крепления гребня полузапруды

Для определения крупности материала крепления вычисляется скорость течения на гребне полузапруды v_г по формуле:

v_г = (Q ? K_св · Q_св.б) / щ_сл,

где

щ_сл - часть площади поперечного сечения, расположенная над гребнем полузапруды (при расчётной отметке Z_г) до расчётного уровня воды H_р, щ_сл = 94,29 м².

v_г = (600 ? 1,1 · 452) / 94,29 = 1,09 м/с.

Диаметр частиц крепления d₀ определяется по формуле:

d₀ = 0,04 · ³v(v_г¹⁰ / h_г²),

где

h_г - глубина потока на гребне полузапруды, которая определяется делением площади переливающегося слоя щ_сл на длину полузапруды l_п:

h_г = щ_сл / l_п = 94,29 / 81,9 = 1,15 м;

d₀ = 0,04 · ³v(1,09¹⁰ / 1,15²) = 0,05 м.

Для обеспечения надёжности крепления диаметр d₀ увеличивают в 1,5 ч 2 раза:

d₀^ув = 1,5 · d₀ = 1,5 · 0,05 = 0,07 м.

дноуглубительный судовой остров



5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ЗАПРУДЫ

Задача расчёта запруды сводится к нахождению её высоты и длины крепления дна в нижнем бьефе.

Расчёт запруды состоит из следующих последовательных этапов:

1) Расчёт распределения расхода воды по рукавам при свободном состоянии несудоходного рукава (бытовое состояние).

2) Определение проектного расхода в судоходном рукаве.

3) Расчёт кривых свободной поверхности в рукавах при бытовом состоянии потока и при наличии запруды в несудоходном рукаве (то есть при проектном распределении расхода).

4) Расчёт отметки гребня запруды.

5) Определение режима сопряжения бьефов и назначение длины крепления дна в нижнем бьефе запруды.

Расчёт запруды выполняется применительно к среднемеженному уровню воды H_ср.м и отвечающему ему расходу Q. В данной работе H_ср.м = 0,6 м и Q = 310 м³/с.

5.1 Расчёт распределения расхода воды по рукавам при свободном состоянии несудоходного рукава

Расчёт распределения расхода воды по рукавам при бытовом состоянии выполняется в следующей последовательности:

1) Участок двухрукавного разветвления поперечниками разбивается на расчётные участки с таким условием, чтобы в пределах каждого расчётного участка площади живых сечений изменялись однозначно (только увеличивались или уменьшались).

2) Обычно расчётные поперечники назначаются в серединах плёсовых лощин и на гребнях перекатов. Если при этом площади сечений смежных поперечников значительно отличаются друг от друга, то необходимо назначить дополнительные расчётные сечения на переходных участках от плёсовых лощин к перекатам. Кроме того, назначаются три дополнительных сечения: несколько выше приверха острова, в створе запруды в несудоходном рукаве и несколько ниже ухвостья острова. Граничные верхнее и нижнее сечения назначаются там, где в соответствии с рельефом дна отметки свободной поверхности в правой и левой частях русла можно считать одинаковыми. Эти граничные сечения делят на две части. Одна часть, рассматриваемая как самостоятельное сечение, относится к судоходному рукаву, а другая - к несудоходному.

3) Вычерчиваются поперечные профили русла во всех назначенных сечениях до расчётного среднемеженного уровня H_ср.м и подсчитываются гидравлические элементы потока: площадь щ, ширина по зеркалу воды B, средняя глубина H = щ / B, модуль расхода K = щ · C · vh (где C = h^1/6 / n - коэффициент Шези, n - коэффициент шероховатости, в данной работе n_с = 0,019 с/м^1/3, n_нс = 0,023 с/м^1/3), модуль сопротивления русла F = Дl / K_ср² (где K_ср = (K_i + K_{i + 1}) / 2 - среднеарифметическое значение модулей расхода в граничных сечениях расчётного участка, длина которого равна Дl). Результаты расчётов сводятся в табл. 6.

4) Определяется расход воды в судоходном Q_с.б и несудоходном Q_нс.б рукавах в бытовом состоянии по формулам:

Q_с.б = Q / (1 + v(УF_с / F_нс)); Q_нс.б = Q ? Q_с.б,

где

Q - расчётный расход воды при среднемеженном уровне;

УF_с, УF_нс - сумма модулей сопротивления, соответственно, судоходного и несудоходного рукавов.

5) Используя полученные значения расходов Q_с.б и Q_нс.б по уравнению установившегося неравномерного движения без учёта сил инерции, подсчитывают величину падения уровня ДZ_i на каждом расчётном участке в судоходном и несудоходном рукавах:

ДZ_i = Q_i² · F_i,

где индекс i обозначает судоходный или несудоходный рукав.

По вычисленным значениям ДZ_i определяют отметки свободной поверхности воды Z_бi в каждом расчётном сечении при бытовом состоянии. Вычисление отметок ведётся от сечения с отметкой Z_н, расположенного непосредственно ниже ухвостья острова. Отметка в этом сечении при расчётном среднемеженном уровне условно принимается равной Z_н = 10,00 м. Подсчёт отметок ведётся с точностью до 1 см. По вычисленным отметкам строят кривые свободной поверхности по рукавам при бытовом состоянии русла.

Итогом этого этапа расчётов является подсчёт средних отметок Z_с уровня воды на соответствующих расчётных участках

Z_с = (Z_i + Z_{i + 1}) / 2

(где i - номер расчётного сечения). Значения Z_с используются в дальнейшем для построения графиков зависимости модулей сопротивления русла от средних отметок F = f(Z_с). Эти графики в свою очередь используются для определения значений падений уровня воды графическим способом Павловского при проектном распределении расходов воды по рукавам.

Таблица 6

Результаты расчёта бытового распределения расхода воды по рукавам и отметок бытовой кривой свободной поверхности при среднемеженном уровне воды

Наименование рукава	№ сечения	№ участка	щ, м2	B, м	h, м	C, м1/2/с	Ki · 103, м3/с	Kср · 103, м3/с	Kср2 · 106, м6/с2	Дl, м	Fi · 10?6, с2/м5	Qi, м3/с	ДZi, м	Zбi, м	Zс, м
Судоходный рукав	1		131,81	89,0	1,48	56,20	9,02		160,7		10,243
		I						7,74	59,97	137,1	2,29		0,059		10,213
	2		110,38	93,9	1,18	54,07	6,47							10,184
		II						6,55	42,93	140,0	3,26		0,084		10,142
	3		99,58	69,9	1,42	55,82	6,63							10,100
		III						9,40	88,33	140,3	1,59		0,041		10,079
	4		142,94	69,5	2,06	59,35	12,16							10,059
		IV						14,30	204,48	128,8	0,63		0,016		10,051
	5		176,14	74,6	2,36	60,73	16,44							10,042
		V						15,83	250,68	132,2	0,53		0,014		10,036
	6		206,75	124,9	1,66	57,25	15,23							10,029
		VI						12,64	159,78	178,4	1,12		0,029		10,014
	7		150,63	105,5	1,43	55,85	10,05							10,000
									9,41		0,243
Несудоходный рукав	7?		157,70	84,4	1,87	48,26	10,41		149,3		10,000
		VII						10,16	103,30	108,7	1,05		0,023		10,012
	8		155,62	87,6	1,78	47,84	9,92							10,023
		VIII						10,92	119,19	91,4	0,77		0,017		10,032
	9		160,11	71,5	2,24	49,73	11,91							10,041
		IX						10,36	107,39	98,2	0,91		0,020		10,051
	10		149,36	94,5	1,58	46,93	8,81							10,061
		X						9,40	88,27	103,2	1,17		0,026		10,074
	11		176,17	118,5	1,49	46,45	9,98							10,087
		XI						10,42	108,60	82,2	0,76		0,017		10,095
	12		192,29	129,8	1,48	46,42	10,86							10,104
		XII						10,41	108,29	110,1	1,02		0,023		10,115
	13		163,72	99,1	1,65	47,27	9,95							10,126
		XIII						8,42	70,98	122,5	1,73		0,038		10,146
	14		135,14	106,1	1,27	45,26	6,90							10,165
		XIV						6,60	43,49	152,3	3,50		0,078		10,204
	1?		129,38	109,5	1,18	44,71	6,29							10,243
									10,90		0,243

5.2 Определение проектного расхода воды в судоходном рукаве

Расчёт проектного (при наличии в несудоходном рукаве запруды) распределение расходов сводится к определению на перекатах судоходного рукава при расчётном уровне размывающих скоростей, при которых произойдёт соответствующее углубление дна в пределах судового хода.

Для определения проектного расхода в судоходном рукаве Q_с.п сначала для каждого переката в этом рукаве находят расчётную скорость v_р и площадь поперечного сечения на гребне переката щ_прк с учётом запроектированной прорези, а затем и проектный расход по формуле:

Q_с.п = щ_прк · v_р.

Расчётная скорость, при которой произойдёт размыв дна в пределах судового хода, подсчитывается по зависимости:

v_р = 0,8 · K_зап · v_разм,

где K_зап = 1,2 ч 1,5 - коэффициент запаса (большие значения соответствуют расположению переката в верхней части судоходного рукава и резко разнородным грунтам, меньшие значения - расположению переката в нижней части рукава и однородным грунтам).

Неразмывающая скорость v_нр вычисляется по формуле В.Н. Гончарова:

v_нр = 3,0 · (T · d₅₀ / d₉₀)^0,2 · (d₅₀ + 0,0014)^0,3,

а размывающая скорость - по соотношению v_разм = 1,3 · v_нр.



При вычислении неразмывающих скоростей глубина в пределах судового хода принимается равной

T = T_г + (H_ср.м ? H_пр).

Расчёты выполняются для всех перекатов судоходного рукава и сводятся в табл. 7. В данной работе расчёт выполняется для переката, в пределах которого находится створ № 2.

Если в судоходном рукаве расположено несколько перекатов, то за окончательную величину проектного расхода принимается:

- при наличии в рукаве не более 3 перекатов - наибольшая вычисленная величина расхода;

- при большем числе перекатов - среднее из 2 ч 3 наибольших подсчитанных значений расходов.

Таблица 7

Значения проектных расходов воды в судоходном рукаве

№ сечения	щпрк, м2	vнр, м/с	vразм, м/с	Kзап	vр, м/с	Qс.п, м3/с
2	138,27	0,5	0,65	1,4	0,73	100,93

После назначения проектного расхода воды в судоходном рукаве Q_с.п устанавливается значение проектного расхода в несудоходном рукаве Q_нс.п:

Q_нс.п = Q ? Q_с.п = 310 ? 100,93 = 209,07 м³/с.

Затем производится сравнение бытового и проектного расходов воды в судоходном рукаве. При этом могут встретиться 3 случая:

- Q_с.п < Q_с.б < Q - запруда не нужна;

- Q_с.б < Q_с.п < Q - нужна запруда меженного действия;

- Q_с.б < Q_с.п > Q - нужна запруда весеннего действия.

В данной работе результаты расчётов соответствуют первому случаю.

Задания на проект составлены таким образом, что первого и третьего случаев не должно быть.

Поэтому, если при расчётах эти случаи будут иметь место, то прежде всего следует проверить правильность вычислений. Если ошибка не обнаружится, то необходимо принять условно распределение расходов, которое соответствует второму случаю.

В данной работе проектный расход в судоходном рукаве более чем 2 раза меньше, чем расход в несудоходном рукаве, что не соответствует действительности, ведь в бытовом состоянии расход в судоходном рукаве больше такового в несудоходном. Поскольку ошибка не была выявлена, по рекомендации преподавателя было принято значение проектного расхода в судоходном рукаве Q_с.п = 1,15 · Q_с.б = 1,15 · 160,7 = 184,8 м³/с, откуда проектный расход в несудоходном рукаве Q_нс.п = Q ? Q_с.п = 310 ? 184,8 = 125,2 м³/с. Подобное расхождение может являться следствием малой площади поперечного сечения на перекате, из-за чего значение проектного расхода может быть ниже истинного.

5.3 Расчёт кривых свободной поверхности при проектном состоянии

При проектном распределении расходов воды по рукавам падения уровня на уровня на расчётных участках находят графически по способу Н.Н. Павловского. Для этого строят графики зависимости модулей сопротивления от средних отметок уровня воды на расчётных участках F = f(Z_с) по судоходному и несудоходному рукавам. Графики зависимости F = f(Z_с) строятся по 3 точкам. Одна из них отвечает отметке расчётного среднемеженного уровня H_ср.м бытового режима (табл. 6). Две другие назначаются дополнительно:

- в судоходном рукаве и в верхней (подпёртой) части несудоходного рукава, одна на ДH₁ = 0,2 ч 0,3 м и другая на ДH₂ = 0,4 ч 0,5 м выше среднемеженного уровня;

- в нижнем бьефе запруды вторую и третью отметки назначают ниже расчётного среднемеженного уровня, соответственно, на ДH₃ = 0,2 ч 0,3 м и ДH₄ = 0,4 ч 0,5 м.

В данной работе принимается ДH₁ = 0,2 м, ДH₂ = 0,5 м, ДH₃ = 0,2 м и ДH₄ = 0,5 м.

Для сечения в створе запруды назначают 4 дополнительных уровня H_ср.м + ДH_1,2 и H_ср.м ? ДH_3,4, используя их для расчётов модулей сопротивления на расчётных участках, расположенных, соответственно, выше и ниже створа запруды.

Модули сопротивления для проектного состояния подсчитываются с учётом нового положения уровня воды. Результаты подсчёта модулей сопротивления сводятся в отдельные таблицы для каждого нового значения уровня воды (табл. 8, 9).

При этом значения средних отметок Z_с вычисляются, исходя из средних отметок в бытовом состоянии (табл. 6), путём прибавления или вычитания из них дополнительных значений ДH_i уровня воды.

Последовательность расчётов следующая:

1) Задаются 2 дополнительными значениями уровней воды во всех расчётных сечениях, достраивая их до заданных отметок. Подсчитывают новые значения величин щ, B, h, K, F, Z_с (табл. 8, 9). При вычислении величин модулей расходов K используют значения коэффициента шероховатости n, которые заданы в исходных данных.

Таблица 8

Результаты модулей сопротивления и средних отметок при уровне выше (ниже) среднемеженного на 0,2 м

Наименование рукава	№ сечения	№ участка	щ, м2	B, м	h, м	C, м1/2/с	Ki · 103, м3/с	Kср · 103, м3/с	Kср2 · 106, м6/с2	Дl, м	Fi · 10?6, с2/м5	Zс, м
Судоходный рукав	1		150,35	96,7	1,55	56,65	10,62
		I						9,36	87,52	137,1	1,57	10,413
	2		129,84	100,8	1,29	54,90	8,09
		II						7,99	63,79	140,0	2,19	10,342
	3		114,15	75,9	1,50	56,33	7,88
		III						10,85	117,73	140,3	1,19	10,279
	4		157,17	72,8	2,16	59,83	13,82
		IV						16,01	256,35	128,8	0,50	10,251
	5		191,49	78,9	2,43	61,02	18,20
		V						18,11	327,81	132,2	0,40	10,236
	6		232,25	129,9	1,79	57,98	18,01
		VI						15,17	230,00	178,4	0,78	10,214
	7		172,00	108,3	1,59	56,85	12,32
Несудоходный рукав	7?		140,92	83,5	1,69	47,44	8,68
		VII						8,50	72,17	108,7	1,51	9,812
	8		138,34	85,3	1,62	47,13	8,31
		VIII						9,36	87,62	91,4	1,04	9,832
	9(1)		146,02	69,5	2,10	49,21	10,42
		IX
	9(2)		174,64	73,8	2,37	50,19	13,49
								12,01	144,27	98,2	0,68	10,251
	10		168,61	97,9	1,72	47,60	10,53
		X						11,37	129,18	103,2	0,80	10,274
	11		200,07	120,5	1,66	47,31	12,20
		XI						12,70	161,36	82,2	0,51	10,295
	12		218,65	133,5	1,64	47,20	13,21
		XII						12,25	150,02	110,1	0,73	10,315
	13		184,76	110,9	1,67	47,34	11,29
		XIII						9,73	94,76	122,5	1,29	10,346
	14		157,95	121,5	1,30	45,42	8,18
		XIV						7,81	61,05	152,3	2,49	10,404
	1?		153,54	130,3	1,18	44,68	7,45

Таблица 9

Результаты модулей сопротивления и средних отметок при уровне выше (ниже) среднемеженного на 0,5 м

Наименование рукава	№ сечения	№ участка	щ, м2	B, м	h, м	C, м1/2/с	Ki · 103, м3/с	Kср · 103, м3/с	Kср2 · 106, м6/с2	Дl, м	Fi · 10?6, с2/м5	Zс, м
Судоходный рукав	1		181,36	110,3	1,64	57,18	13,30
		I						12,09	146,11	137,1	0,94	10,713
	2		161,72	111,9	1,45	55,96	10,88
		II						10,43	108,76	140,0	1,29	10,642
	3		138,46	86,4	1,60	56,93	9,98
		III						13,23	174,94	140,3	0,80	10,579
	4		179,81	78,3	2,30	60,46	16,47
		IV						18,78	352,74	128,8	0,37	10,551
	5		216,17	85,7	2,52	61,41	21,09
		V						21,94	481,53	132,2	0,27	10,536
	6		272,09	135,4	2,01	59,12	22,80
		VI						19,45	378,34	178,4	0,47	10,514
	7		205,13	112,6	1,82	58,16	16,10
Несудоходный рукав	7?		116,03	82,5	1,41	46,02	6,33
		VII						6,23	38,77	108,7	2,80	9,512
	8		113,28	81,7	1,39	45,91	6,12
		VIII						7,17	51,41	91,4	1,78	9,532
	9(1)		125,46	67,8	1,85	48,17	8,22
		IX
	9(2)		197,28	77,2	2,56	50,84	16,03
								14,74	217,25	98,2	0,45	10,551
	10		198,64	102,2	1,94	48,57	13,45
		X						14,66	214,91	103,2	0,48	10,574
	11		236,68	123,5	1,92	48,45	15,87
		XI						16,56	274,37	82,2	0,30	10,595
	12		259,24	136,9	1,89	48,36	17,26
		XII						15,60	243,32	110,1	0,45	10,615
	13		220,28	125,4	1,76	47,76	13,94
		XIII						12,36	152,73	122,5	0,80	10,646
	14		197,30	140,2	1,41	46,03	10,77
		XIV						10,47	109,52	152,3	1,39	10,704
	1?		195,84	150,3	1,30	45,44	10,16

Значения средних отметок Z_с для расчётных участков определяют, как указано выше. Результаты подсчётов сводятся в отдельные таблицы для каждого нового значения уровня воды.

2) Используя значения F и Z_с для бытового состояния (табл. 6) и дополнительные значения модулей сопротивления и средних отметок, подсчитанные для двух других значений уровня воды, строят графики зависимости F = f(Z_с) по судоходному и несудоходному рукавам.

3) По способу Н.Н. Павловского графически находят падения уровня на расчётных участках ДZ_i, отметки уровня верхнего Z_в.б и нижнего Z_н.б бьефов и величину перепада воды на запруде ДZ_з при проектном распределении расходов по рукавам.

Для этого предварительно вычисляют значения:

tg ц_с = 2 · a / (b · Q_с.п²) = 2 · 0,1 / (0,5 · 184,8²) = 11,71;

ц_с = 85,12 °;

tg ц_нс = 2 · a / (b · Q_нс.п²) = 2 · 0,1 / (0,5 · 125,2²) = 25,52;

ц_нс = 87,76 °,

где a - масштаб по оси уровней Z_с (1 см = 0,1 м);

b - масштаб по оси модулей сопротивления Z_с (1 см = 0,5 с²/м⁵).

Построения начинают по судоходному рукаву от известной отметки уровня в нижнем сечении Z_н = 10,00 м, проводя лучи под углом ц_с к вертикальной оси Z_с с использованием кривой F = f(Z_с) соответствующего расчётного участка. В результате находят падение уровня ДZ_i на расчётных участках и отметку уровня Z_в = 10,303 м в верхнем (выше острова) сечении участка. Полученная отметка Z_в по горизонтали переносится на график F = f(Z_с) несудоходного рукава, где построения выполняют, спускаясь от Z_в под углом ц_нс до сечения в створе запруды, и находят отметку Z_в.б = 10,182 м верхнего бьефа запруды. Затем под тем же углом ц_нс проводят лучи, поднимаясь от нижнего сечения с отметкой Z_н = 10,00 м до сечения в створе запруды, и находят отметку Z_н.б = 10,029 м нижнего бьефа запруды.

4) Определяется перепад уровней на запруде как разница отметок верхнего и нижнего бьефов запруды:

ДZ_з = Z_в.б ? Z_н.б = 10,182 ? 10,029 = 0,15 м.

5) По результатам графических построений строятся кривые свободной поверхности при проектном состоянии, которые совмещаются с бытовой кривой свободной поверхности. Эти кривые дают наглядное представление о влиянии запруды на положение свободной поверхности воды по длине затруднительного участка.

5.4 Определение отметки гребня запруды

При пропуске меженного расхода воды запруды обычно работают в потоке в качестве незатопленных или затопленных водосливов с широким порогом. С повышением уровня и увеличением расхода воды вероятной становится работа запруды в качестве затопленных водосливов с широким порогом и практического профиля.

Вид водослива, в стадии которого работает запруда, зависит от отношения напора H к ширине гребня запруды b_г.

Отношения H / b_г ? 0,5 соответствуют случаям работы запруды в потоке в стадии водослива с широким порогом, а отношения H / b_г > 0,5 - случаю работы запруды в качестве водослива практического профиля. Условия, при которых водосливы оказываются затопленными, имеют вид:

- для водослива h_п / H ? 0,8 (где h_п - высота подтопления);

- для водослива практического профиля - h_п > 0 и отношение ДZ_з / P_н < 0,7 (где P_н - высота запруды над дном нижнего бьефа).

Отметка гребня запруды Z_г находится как разница отметки верхнего бьефа Z_в.б и напора H на запруде:

Z_г = Z_в.б ? H.



Значение напора на запруде H вычисляется по формуле водослива:

H = (Q_нс.п / (m_р · у_п · b · v(2 · g))^2/3 ? v₀² / (2 · g),

где

у_п - коэффициент подтопления;

m_р - коэффициент расхода;

b - ширина водослива по длине запруды;

v₀ - скорость течения на подходе потока к створу запруды.

Коэффициент подтопления у_п, зависящий от напора и положения уровня в нижнем бьефе запруды, находится по графику у_п = f(h_п / H). Значение коэффициента расхода m_р, зависящие от ширины гребня и конструкции запруды, для водослива практического профиля (при H / b_г > 0,5) определяются по графику m_р = f(H / b_г) с учётом заложения низового откоса запруды m_н. В случае работы запруды в качестве водослива с широким порогом (при H / b_г ? 0,5) значение коэффициента расхода принимается постоянным m_р = 0,34.