Улучшение судоходного состояния перекатного участка реки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Курсовой проект выполняется с целью приобретения студентами опыта проектирования комплекса путевых дноуглубительных и выправительных работ для улучшения судоходного состояния перекатных участков реки.

При выполнении проекта решается задача коренного улучшения судоходного состояния перекатного участка реки путем существенного увеличения глубины с/х с помощью разработки судоходной прорези и строительства системы полузапруд.

Исходя из возможного в рамках учебного процесса объема проектных работ, рассматривается ограниченный по длине участок реки, включающий в себя только два переката.

На верхнее перекате обосновываются габариты с/х прорези, обеспечивающее прохождения через перекат одного или двух выбранных в качестве расчетных судов или толкаемых составов. Оценивается устойчивость судоходной прорези от занесения наносами.

На втором перекате определяется ширина выправительной трассы, обосновываются габариты полузапруд и расположение полузапруд на перекате.

Для всего перекатного участка реки определяется предельно допустимая по гидравлическим условиям глубина судового хода.

1. Расчет габаритов судоходной прорези

Габаритные размеры судоходной прорези устанавливаются расчетным путем.

Для конкретного участка реки - варианта курсового проекта расчетное судно или толкаемый состав выбираются из приведенных в приложении параметров судов. Выбору расчетного судна (состава) должно предшествовать изучение плана перекатного участка и предварительное (приближенное) назначение целесообразной глубины судоходной прорези.

Известно, что к категории «капитальных дноуглубительных работ» с коренным улучшением условий судоходства, относят работы со значительным увеличением транзитной судоходной глубины. С учетом этого расчетную глубину (и последующий выбор типа судна) следует назначать исходя из возможного понижения отметки гребня переката не менее 0,5+1,0 м. Ширина судоходной прорези назначается исходя из принятого условия об одностороннем или двухстороннем (с расхождением) движении расчетных судов или составов.

При этом ширина прорези не должна превышать минимальную ширину (на уровне проектных изобат) примыкающих к перекату верхней и нижней плесовых лощин.

Радиус закругления судового хода на подходах к судоходной прорези не должен быть меньше расчетного. Перечисленные условия должны быть учтены при предварительном назначении габаритов судоходной прорези и обеспечены при окончательном расчетном обосновании габаритов прорези. Расчетная глубина прорези (глубина судового хода на перекатном участке) Т определяется

Где: T_с - осадка расчетного судна, состава, м.

?Т_пп - запас глубины под днищем судна, м.

?Т_диф - приращение осадки судна при движении, м.

Где: V_c - скорость движения судна, м/с.

Т_сх - глубина с.х. на участке, м.

?- коэффициент, учитывающий дифферент судна. (при L/В=6,82 ?=1.11)

g=9.81 ,м/с²

Судовой ход в границах судоходной прорези в преобладающем большинстве случаев имеет прямолинейные очертания, ось прорези по возможности ориентируют по направлению течения.

При двустороннем движении судов, В_пр будет равна:

Где: В_С - ширина расчетного судна, м. (9.6м)

?В₁ - запас ширины между судном и кромкой с.х.,м (при В_С=9.6м ?В₁=7м.)

?В₂ - запас ширины между расходящимися судами, м.(при В_пр=30-40м ?В₂=10м)

Ось судоходной прорези должна плавно сопрягаться с осью судового хода в верхней и нижней плесовых лощинах, для чего должно быть выдержано условие

где R_cх, - радиус закругления оси судового хода, м.

По результатам расчетов, исходя из конкретных местных условий (вариант проекта), устанавливаются проектные габариты судоходной прорези. При этом, с учетом точности измерений в натуре, обозначения кромок прорези навигационными знаками и др. вычисленные параметры округляются в сторону увеличения с точностью: для глубины - 5 см, ширины - 5 м, радиуса закругления - 25 м.

2. Трассирование судоходной прорези

Нa плане перекатного участка показывается проектная изобата, отвечающая проектной глубине прорези Т_пр

На плане показывается ось судового хода, контуры судоходной прорези и отвала грунта при условии разработки прорезь землесосным снарядом.

Ширина прорези В_пр должна соответствовать принятой проектной ширине, кривизна оси с.х. при переходе в плесовые лощины не должна быть меньше расчетного радиуса R_cх.

Судоходные прорези преимущественно трассируются по кратчайшему расстоянию между плесовыми лощинами, обеспечивающему минимальный объем дноуглубительных работ.

Площадь отвала грунта в плане можно считать соответствующей 75% площади прорези, ось отвала грунта удаляется от оси прорези на расстояние, равное ширине прорези.

3. Построение плана течений

Судоходная прорезь и отвал грунта влияют на гидравлику потока.

При разработке капитальной судоходной прорези необходима расчетная оценка ее устойчивости - сохранности.

Оценка режима скоростей течения в зоне прорези производится с помощью построения плана течений и разбивке речного потока на ряд струй с равновеликими значениями расхода воды.

При этом считается, что рассматриваемый перекатный участок

расположен в деформируемом потоком русле и сложен размываемыми

песчаными грунтами.

Построение плана течений на верхнем перекате производится для режима, отвечающего проектному уровню (срезка равна нулю).

Для построения плана течений на верхнем перекате намечается пять поперечных сечений (рис. 1). Верхнее и нижнее сечения (№№ 1 и 5) должны быть расположены за пределами прорези. Среднее сечение (№ 3) располагается в средней части прорези - в районе гребня переката. Расстояния между сечениями должны быть примерно одинаковыми. основу построения плана течений положен метод М.А. Великанова (спосо6 плоских сечений). При гидравлических расчетах для участков рек, сложенных относительно

однородными песчаными грунтами, допускается считать, что коэффициент шероховатости русла по длине и ширине переката неизменен.

Аналогично принято допускать, что продольный уклон поверхности воды в границах поперечного сечения (по ширине русла) постоянен. С учетом всего изложенного расход воды (и его распределение по ширине русла) может быть определен по зависимости

Где: Q - расход воды, м³/с.

J - продольный уклон поверхности воды

n - коэффициент шероховатости В - ширина русла реки, м

Т_ср - средняя глубина сечения, м

Продольный уклон поверхности йоды по длине перекатного участка меняется. Для учета характера изменений продольного уклона необходима постановка достаточно трудоемких натурных наблюдении. Учитывая сложность получения этих данных и принимая во внимание учебный характер курсового проекта, расход воды вычисляется по упрощенной схеме. Для рек, представленных в вариантах проекта, средняя в живом сечении скорость течения воды принимается раиной 0.5 м/с. По построенному верхнему поперечному сечению.(№ 1), разбитому па 5-7 характерных геометрических фигур, вычисляется его площадь

Где: ?₁… ?_n - площади элементарных фигур сечения.

Тогда расчетный расход воды при проектном уровне воды равен



Для построения плана течений строятся пять поперечных сечений (№№ 1 - 5) и в табличной форме (под сечением) вычисляются параметры сечения (рис. ).

Для построения плана течении часть вертикальной шкалы в полученных границах и делят на пять равных отрезков, что условно соответствует 1/5 общего расхода воды.

Горизонтальные линии, отвечающие 1/5 общего расхода, доводят до соответствующих (естественный или проектный режимы) интегральных кривых и проецируют на поверхность воды.

В результате этого устанавливаются части («отсеки») поперечного сечения, через которые проходит 1/5 расхода воды.

На поперечных сечениях отдельно изображенном плане верхнего переката наносят точки, отвечающие 1/5 расхода воды. Полученные точки плавными линиями соединяются (сплошная - естественный режим, пунктирная - проектный), представляя план течений (рис. ).

4. Прогноз возможных деформаций судоходной прорези

Известно, что судоходная прорезь и отвал грунта вносят изменения в скоростной режим движения потока. При этом на отдельных участках прорези могут получить размыв русла или аккумуляция наносов.

Для прогноза этих деформаций рассматривается одна или две струи потока, наиболее плотно вписывающиеся в контуры с.х. прорези.

Тогда средняя скорость течения в границах одной или двух струй на каждом поперечном сечении может быть вычислена

 или

Где: V_cр - средняя скорость течения воды в границах одной или двух струй соответственно на поперечных сечениях №№1…5 ? - поперечные сечения одной или двух струй на поперечных сечениях соответственно №№1…5. Данные для вычислений представляются в табличной форме:

Таблица 1.

Показатели	Номер поперечного сечения
	1	2	3	4	5
Q1стр,м3/с	35,88	35,88	35,88	35,88	35,88
S1стр,м2	64,25	45,25	44,63	66,94	58,5
,м	2,57	1,81	2,55	2,43	2,60
Vср,м/с	0,56	0,79	0,80	0,54	0,61
Vнр,м/с	0,44	0,41	0,44	0,43	0,44
Vр,м/с	0,57	0,53	0,57	0,56	0,57

Для оценки возможных деформаций прорези производится сопоставление средней скорости течения в границах одной (или двух) струй с неразмывающей и размывающей скоростями течения в границах аналогичного числа струй. Значения неразмывающей скорости течения воды V_нр для каждого поперечного сечения в границах одной (или двух) струй вычисляется по формуле В.Н. Гончарова

Где: d_ср и d_90% - средний и обеспеченностью 90% диаметр частиц донных отложений, м (d_ср=0.4мм d_90% =1.2мм) Т_ср(1) - средняя глубина живого сечения одной или двух струй на конкретном поперечном сечении, м

Т_ср(1)=?₁/В₁, м

Где: ?₁ - площадь живого сечения одной или двух струй, м²

В₁ - ширина одной или двух струй, м

Размывающая скорость определится как

По результатам расчета строим совместный график изменения V_ср, V_р и V_нр по длине переката в границах поперечных сечений №№1…5 (рис. )

Вид деформации между двумя поперечными сечениями определяется характером изменения средней скорости течения V_ср по длине прорези в сопоставлении с величинами V_р и V_нр

При увеличении скоростей течение возможна глубинная эрозия - понижение отметки дна прорези; при падении скорости - аккумуляции наносов и повышение отметки дна прорези.

По графику видно, что на всем рассматриваемом участке будет значительная деформация дна(глубинная эрозия), т.к. Vср>Vp.

5. Объем дноуглубительных работ

Для определения объема дноуглубительных работ по оси прорези и по двум ее кромкам строят продольные профили дна до разработки прорези (рис. )

В табличной форме для каждого продольного профиля приводятся площади его элементов в границах серий - заключены между поперечниками через100 м.

Таблица 2.

	Площади элементов, м2
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Лев.кр.	20,00	62,5	100	140,25	143	90	55	35	----	----
Ось	22,5	65	97,5	134,25	150	120	85	55	15,75	----
Прав.кр.	17,5	62,5	95	125	149,5	143,75	90	67,5	37,5	5

Полезный объем выемки грунта до проектного дна определится

Где: ?W_лев, ?W_оси, ?W_прав- суммарная площадь продольного профиля на левой кромке, оси и правой кромке соответственно, м²

В_пр - ширина прорези, м

Полный объем выемки будет равен

Где: W_пер - объем на техническое переуглубление, м³

Где: 0.4- средний запас на неровность выработки, м

Средняя толщина снимаемого слоя будет равна



6. Расчет полузапруд

Улучшение судоходного состояния с помощью выправительных сооружений - полузапруд производится на втором - нижнем перекате участка.

Ширина выправительной трассы В_тр вычисляется по гидравлико-морфометрическому способу при проектном уровне на трех поперечных сечениях в верхней, нижней и средней части нижнего переката. Крайние (верхний и нижний) поперечные сечения располагаются в районе замыкания проектной изобаты, отвечающей ранее вычисленной т_г. Среднее поперечное сечение располагается в районе гребня переката.

Где: В_ср - средняя ширина русла на трех поперечных сечениях (при ПУ), м

Т_ср - средняя глубина на трех поперечных сечениях (при ПУ),м

Т_пр - проектная глубина на участке, м

Вычисления выполняются в табличной форме:

Таблица 3.

сечение	?, м2	В, м	Вср, м	Т, м	Тср, м
1-1	353,75	177,5	278,35	1,99	1,44
2-2	248,6	382,5		0,65
3-3	462,75	275		1,68



Длина полузапруды (при ее примерно перпендикулярном расположении к направлению течения) определяется исходя из ширины выправительной трассы и ширины русла реки.

Обоснование отметки гребня - высоты полузапруды (рассматривается одна полузапруда в районе гребня переката) выполняется в следующем порядке.

устанавливается отметка расчетного уровня воды и вычисляется соответствующий ему расход воды. В качестве расчетного рекомендуется принимать уровень (срезку), соответствующий отметке бровки поймы я районе выправляемого переката.

Расчетный расход воды Q_р определяется по формуле

Где: В - ширина поперечного сечения на гребне переката при расчетном уровне, м

Т_ср - средняя глубина сечения при расчетном уровне (с учетом срезки)

Отношение J/n можно принят равным 0.22-0.25

Размеры полузапруды (в том числе и высота), должны увеличивать скорость течения в не перекрытой части поперечного сечения русла до величины, достаточной для размыва дна в границах судового хода до проектной отметки (соответствующей Т_пр )

При последующих расчетах оперируют параметрами (рис. 6 [1]):

?_п - часть площади поперечного сечения, перекрываемая полузапрудой, м²; ?_св - часть «свободной» площади поперечного сечения не перекрываемая полузапрудой, м²;

?_сл - часть площади поперечного сечения, расположенная над гребнем полузапруды до расчетного уровня воды, м²;

?_г - вся площадь поперечного сечения ниже гребня полузапруды, м²

Аналогично методу, примененному при построении плана течений, на поперечном профиле строится интегральная кривая распределения расхода воды по ширине русла при выбранном расчетном уровне (рис. ).

По интегральной кривой и ширине выправительной трассы определяйся расход воды Q_св.ест проходящий в свободной части поперечного сечения при естественном режиме - до возведения полузапруды, определяется ?_св.

В створе полузапруды при расчетном уровне и отвечающей ему наибольшей естественной глубине на судовом ходу Т по формуле В.Н. Гончарова вычисляются неразмывающая и размывающая скорости течения V_нр и V_р .

Определяется потребная расчетная скорость V_расч на всей свободной от полузапруды части поперечного сечения:

Где: К_зап - коэффициент запаса (1.3)

После возведения полузапруды при расчетном уровне в свободной части сечения должен проходить расход Q_св.пр обеспечивающий необходимый размыв дна в зоне судового хода

Коэффициент К_св показывает, насколько при расчетном уровне надо увеличить расход воды в свободной от полузапруды части сечения после ее постройки по сравнению с естественным расходом, раннее проходившим через эту же часть сечения

Т.е.

Для последующего обоснования отметки гребня полузапруды, необходимым образом влияющей на переливающийся поток, в диапазоне между проектным и расчетным уровнями задаются тремя отметками гребня полузапруды Z,(см. рис. ). Для намеченных трех вариантов отметок гребня полузапруды вычисляются величины ?_п ?_сл и ?_г. По величинам этих площадей (при трех вариантах гребня) вычисляют коэффициенты:

Расчеты приводятся в табличной форме

Таблица 4.

	?п	?сл	?г	Ксл	m
hг1=0.5м	235,75	375,25	442,3	1,59	0,53
hг2=1.0м	366	245,8	551,55	0,67	0,63
hг3=1.5м	521,25	90,55	832,3	0,174	0.63

На основании выполненных вычислений строятся совместные графики (рис. ).

По эти двум кривым устанавливается зависимость

К_сл = f(m)

Полученные кривые позволяют установить связь между степенью затопления, степенью стеснения и отметкой гребня полузапруды. Однако, они не позволяют четко установить высоту гребня полузапруды, обеспечивающую необходимый размыв русла в период работы сооружения в затопленном состоянии.

Ранее выполненными лабораторными исследованиями была установлена связь между параметрами К_сл К_св m (рис. ).

По известной величине Ксв с помощью графика (рис. 9 [1]) задаются двумя значениями m и находят соответствующие им два значения К_сл

На совмещенном графике (рис. ) по двум точкам проводят линию связи К_сл=f(m, К_св) Точка пересечения кривых К_сл = f(m)и К_сл=f(m, К_св) перемещенная на вертикальную шкалу Z показывает расчетную отметку гребня полузапруды Z_гр.рас

По графику получаем Zгр.рас=1,05м

7. Определение Гидравлически допустимой судоходной глубины

судоходный полузапруда гидравлический

Известно, что разработка на перекате судоходной прорези сопровождается некоторым, иногда временным, понижением («посадкой») поверхности воды.

При существенном увеличении транзитной судоходной глубины на протяженном участке реки подобная посадка уровня может быть значительной, негативно влияющей на экологическую и хозяйственную ситуации.

С целью возможности учета последствий от регулярного и значительного углубления групп перекатов введено понятие гидравлически допустимой глубины судового хода, при которой «посадка» уровня относительно невелика, существенно меньше получаемого приращения судоходной глубины.

Попытке дальнейшего увеличения транзитной глубины (за пределами гидравлически допустимой) должны предшествовать проектные проработки с обоснованием мероприятий, ослабляющих или исключающих негативные последствия от дноуглубительных работ.

К настоящему времени имеются два способа расчета величины гидравлически допустимой глубины, разработанные специалистами Университета Дружбы Народов им. П. Лумумбы - УДН и Новосибирской государственной академией водного транспорта - НГАВТ.

В обоих способах предусмотрена характеристика параметров русла на большом протяжении с охватом значительного числа перекатов и плесовых лощин.

В рамках настоящего курсового проекта, преследующего цель ознакомиться со способами расчета гидравлически допустимой судоходной глубины, рассматривается короткий участок, включающий в себя три плесовых лощины и два переката. Следует понимать, что это обстоятельство позволит получить весьма приближенные результаты расчетов.

Расчет по способу УДН

Где: Т_сх^max - максимально допустимая судоходная глубина, м

Т_ср^max - средняя максимальная глубина плесовых лощин, м

В_пр - проектная ширина с.х. прорези, м

В_ср - осредненная максимальная ширина на перекатах, м

К_р - показатель руслового режима

В курсовом проекте К_р принимать в зависимости от максимальной глубины на рассматриваемом перекатном участке: при глубине до 2,5 м К_р=2,0; до 3,5м К_р =3,2; более 3,5 м К_р =4,3.

Принимаем Кр=2,0

Способ НГАВТ

При преобладающей параболической форме поперечного сечения русла реки габариты судового хода взаимоувязаны: увеличение глубины судового хода на его кромках сопровождается уменьшением ширины хода, и наоборот.

Отсюда при известном произведении (В_сх*Т_сх) задаваясь одним из параметров можно найти другой:

Где: Т_сх - допустимая (искомая) глубина судового хода, м

В_сх - ширина судового хода, м

n - коэффициент шероховатости

К_ос - коэффициент асимметричности поперечных сечений русел(К_ос =0.8)

J - Продольный уклон поверхности воды

O(?,?) - морфометрическая функция



Где: m - показатель степени в уравнении параболы сечения русла,

Т_ср и Т_max - средняя и максимальная глубины на поперечных сечениях на перекатах участка (осредняется по двум перекатам), м

Значение J/n принимается 0.22-0.25

Для окончательного определения Т_сх(max) величину В_сх принимают равной ширине прорези В_пр.

8. Производство дноуглубительных и выправительных работ

Для углубления дна водоема на определенной площади земснаряд должен совершать рабочие перемещения в пределах разрабатываемой прорези в продольном и поперечном направлениях, увязывая эти перемещения с режимом извлечения и удаления грунта.

Траншейным способом работают земснаряды с эллиптическим, уширенным и щелевым всасывающим наконечниками без разрыхлителей или с гидравлическими разрыхлителями. Этим способом разрабатывают песчаные несвязные грунты.

При траншейном способе прорезь по длине предварительно делят на ряд серий, а серии по ширине прорези на ряд траншей (рисунок ). В пределах каждой серии землесос движется вдоль траншеи против течения, последовательно от одной кромки прорези до другой. Длина каждой траншеи равна длине серии.

Расстояние между осями смежных траншей принимается обычно равным ширине корпуса землесосного снаряда.

После разработки всех траншей в пределах одной серии землесос переходит на следующую серию и начинает ее разработку с первой от кромки траншеи.

Преимущество разработки перекатов сериями сверху вниз заключается в том, что взмученный снарядом грунт откладывается на еще не разработанной части прорези, чем обеспечивается большая чистота выработки, облегчает операции по перекладке якорей и перевод плавучего грунтопровода и сокращаются затраты времени на них.

Полузапруды намывают землесосами начиная от берега. При небольших скоростях течения и глубинах потока концевой понтон устанавливают по оси полузапруды, а при больших скоростях и глубинах понтон ставят примерно нормально к оси сооружения. В последнем случае грунтовая смесь сбрасывается навстречу течению, частицы быстрее осаждаются на дно и уменьшается унос грунта вниз по течению. Корневую часть полузапруды намывают из ближнего подводного карьера, а головную из удаленного. Укрепление гребня и откосов полузапруды, если оно предусмотрено проектом, Выполняют сразу после окончания намыва грунта.

Вывод

В ходе выполнения курсового проекта была решена задача коренного улучшения судоходного состояния перекатного участка реки путем существенного увеличения глубины судового хода с помощью разработки судоходной прорези и строительства системы полузапруд.

Для всего перекатного участка была определена предельно допустимая по гидравлическим условиям глубина судового хода.

Список используемой литературы

1. Фролов Р.Д. Водные пути и путевые работы. Улучшение судоходного состояния перекатного участка реки. Н.Новгород, 2006г, 36с

2. Гришанин К.В., Дегтярев В.В. Водные пути. М: Танспорт,1986г,400с

Размещено на Allbest.ru