Теорія та методи прогнозування розмивів в зоні впливу мостових переходів

Через складність розроблених квазітривимірних моделей двофазного руслового потоку для придонної області, рівняння математичної моделі двофазного руслового потоку для придонної області, математичної моделі відкритого зависенесного руслового потоку та потоку з трав'яною рослинністю і замикаючих моделей турбулентності складно отримати аналітичний вираз критерію стійкості для схеми Мак-Кормака, але можливо використовувати емпіричну формулу, згідно, при :

Перед черговим кроком за часом для всіх точок розрахункової сітки по рівнянню (49) можна розрахувати . Далі найменше із використовується для отримання рішення на наступному часовому шарі.

Розв'язування стаціонарних рівнянь аналогічно одержанню асимптотично стаціонарного розв'язку нестаціонарної задачі. Тому чисельна реалізація рівнянь еліптичного типу проводиться за ітераційною схемою. Всі ітераційні методи можна розглядати як процедури, призначені для послідовної модифікації початкової апроксимації і при цьому систематично наближатись до розв'язування. Одним з найбільш ефективних і часто використовуваних явних ітераційних методів розв'язування великих систем рівнянь є метод Гаусса-Зейделя.

Для прискорення збіжності будь-якого ітераційного процесу використовується метод послідовної верхньої релаксації (п.в.р.). У даній роботі застосовується метод п.в.р. для поліпшення методу Гаусса-Зейделя. Корекція невідомих у методі Гаусса-Зейделя здійснюється по формулі:

Застосовуючи цей метод, передбачається, що буде ближче до точного значення невідомої, ніж значення отримане за методом Гаусса-Зейделя. Формула (52) застосовується безпосередньо в кожній точці, на кожній ітерації і в усі наступні розрахунки входить величина , а не .

Критерій збіжності розглянутого ітераційного методу можна представити у вигляді:

Для отримання однозначного розв'язку конкретної задачі окрім замкнутої системи вихідних рівнянь додаються граничні і початкові умови. У роботі обґрунтовані і сформульовані граничні умови на всіх границях розрахункової області, а також початкові умови у випадку нестаціонарної задачі.

Рухливість твердих границь потоку обумовлює необхідність приєднати до складу рівнянь динаміки руслових потоків особливу граничну умову, яка встановлює зв'язок між змінами русла і транспортуванням наносів. В якості базового рівняння розрахунку деформацій в руслі прийняте двовимірне рівняння балансу наносів, яке може бути записане у вигляді:

де z0 - відмітки поверхні дна річкового русла; qSі - питома витрата руслових наносів; е - коефіцієнт пористості донних відкладень; x1, x2 - поздовжня та поперечні координати.

Глибина заплавного потоку після розмиву визначається на основі співвідношень дійсної та нерозмивної швидкостей.

Для отримання відміток вільної поверхні річкового потоку використовується рівняння:

де члени рівняння є середніми за глибиною потоку; j=1,2.

На основі чисельних методів реалізації дискретних аналогів розроблених моделей і рівнянь складений алгоритм реалізації математичної моделі двофазного руслового потоку для придонної області, математичної моделі відкритого зависенесного руслового потоку та потоку з трав'яною рослинністю. Узагальнена блок-схема реалізації математичних моделей для основної товщі та придонної області руслового і заплавного потоків наведена на рис. 2. На підставі отриманих методик було розроблено програмний комплекс „Virtual model river 2”.

П'ятий розділ. Для підтвердження достовірності запропонованих математичних моделей було проведене чисельне моделювання руху потоку на розмивній моделі мостового переходу, співставлення динамічних характеристик (швидкостей, відміток вільної поверхні, відміток дна після розмиву) дають задовільне співпадіння. Відхилення складає в межах 5 % - 19,5%, що свідчить про ефективність запропонованих моделей.

На підставі запропонованих математичних моделей та методів їх розрахунку розроблено інженерні методики МРР 218-02070915-231-2003 „Методика розрахунку розмивів дна та берегів передгірських ділянок річок та місцевих розмивів біля річкових гідротехнічних споруд”, для проведення інженерних розрахунків на ділянках рівнинних річок була розроблена МРР 218-02070915-410-2004 „Методика прогнозування розвитку загальних руслових деформацій біля струмененапрямних дамб мостових переходів та рекомендації по усуненню цих деформацій”, які затверджено на галузевому рівні і рекомендовано до використання в проектних організаціях та установах, що входять у сферу управління Державної служби автомобільних доріг України.

За відомими ходом повені та закономірністю зміни руслової витрати вздовж потоку, при певному горизонті води, проведено два розрахунки загального розмиву підмостового русла річки Горний Тікич на ділянці автомобільної дороги Київ - Одеса в Черкаській області.

Перший розрахунок проводився на основі методики прогнозування розвитку загальних руслових деформацій МРР 218-02070915-410-2004, другий - за розробленим програмним комплексом „Virtual model river 2”. Порівняння результатів розрахунків представлено на рис. 3.

Розмив русла р. Гірський Тікич зупиняється лише на спаді повені, оскільки транспортуюча здатність потоку знижується із збільшенням розмивних вирв перед мостовим переходом - поперечний перетин русла під мостом збільшується настільки, що швидкість течії знову зменшується. На виході річного потоку з найбільш стисненого перетину за мостовим переходом утворюється осередок.

Згідно розрахунків на основі методики прогнозування розвитку загальних руслових деформацій МРР 218-02070915-410-2004, найглибша відмітка ями розмиву в руслі складає 178 м (рис. 3, а), осередку - 190 м.

Згідно розрахунків за розробленим програмним комплексом „Virtual model river 2” Найглибша відмітка ями розмиву в руслі складає 176 -176,5 м (рис. 3, б), осередку - 186 м. Кривизна дамби впливає на зміну конфігурації русла, утворений осередок зміщується до лівої заплави, утворюється зона плесу та перекату.

Таким чином, можливість встановлення найбільшої глибини безпосередньо біля опори повинна враховуватися для опор, розміщених в руслі річки.

На замовлення проектного інституту Укрдіпродор було виконано прогноз деформацій на реальних мостових переходах:

- в зоні впливу мостового переходу через р. Горинь біля с. Ремчиці на автомобільній дорозі Городище - Рівне - Староконстянтинів, км 50+589, Рівненська область, згідно з розрахунками проведеними за розробленими методиками загальний розмив русла становитиме Н=7,67 м, що перевищує значення, прийняте у проекті інституту Укрдіпродор на 41 % (рис. 4, 5), дощова повінь не призводить до суттєвих змін в руслі та на заплаві;

- в зоні впливу мостового переходу через р. Ірпінь на автомобільній дорозі Київ - Ірпінь між с. Новосілки та с. Княжичі, згідно з розрахунками проведеними за розробленими методиками загальний розмив русла становитиме Н=6,2 м, що відповідає значенню, прийнятому в проекті; загальний розмив на лівій заплавні частині становитиме Н=1,04 м, що перевищує значення, прийняте у цьому проекті на 25 %; загальний розмив на правій заплавні частині становитиме Н=1,54 м, що перевищує значення, прийняте у проекті інституту Укрдіпродор на 34 %.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що полягає в розробленні теорії і методів прогнозування загальних та місцевих розмивів в зоні впливу мостових переходів, які ґрунтуються на положеннях механіки неоднорідних середовищ.

1. На підставі аналізу існуючих експериментальних та натурних досліджень мостових переходів встановлено, що загальні та місцеві деформації в зонах впливу цих споруд безпосередньо пов'язані з рухом руслоутворюючих наносів, який відбувається головним чином у вигляді переміщення дискретних руслових форм, а їх розвиток помітно відстає від змін у водному середовищі. Ці обставини свідчать про неможливість використання існуючих моделей однорідних потоків, які суттєво схематизують всі явища та процеси, що відбуваються при розвитку розмивів. Чисельне моделювання при обробці результатів експериментальних досліджень дозволило підтвердити суттєвий вплив динамічного стану водного середовища на процеси деформування руслових структур. Виходячи із цього висувається нова наукова проблема, яка може бути реалізована в рамках теорії неоднорідних потоків.

Детальний аналіз експериментальних досліджень відомих фахівців в галузі відкритих потоків з дном, що розмивається, дозволив запропонувати для розв'язування сформульованої наукової проблеми нову фізичну модель стосовно переміщення та транспортування наносів в зоні впливу мостових переходів. Особливість цієї моделі полягає в тому, що річковий потік за глибиною поділяється на дві характерні зони: основна зависенесна товща та придонна область, які суттєво різняться за кінематичними та динамічними характеристиками.

2. Існуючі методи розрахунку транспортуючої здатності руслових потоків не враховують складного силового поля на частки донних наносів. Детальний аналіз таких полів дозволив виділити та врахувати комплекс силових факторів, які безпосередньо впливають на стійкість донних структур. У відповідності з цим, у роботі запропоновано комплекс залежностей для визначення складових: сил опору руху часток наносів; підйомної та обертальної сил в процесі сальтації; сил опору при обтіканні мостових опор та елементів рослинності; напружень за рахунок контактної взаємодії з дном.

3. На підставі фундаментального загального рівняння переносу неоднорідного потоку запропоновано систему рівнянь, яка описує динаміку основної зависенесної товщі відкритого потоку, а для замикання цієї системи пристосовано модель турбулентності, що дозволяє врахувати вплив зависі на його стан. Особливості протікання потоків в зоні впливу мостових переходів та наявність різних руслових форм (островів, осередків тощо) обумовили необхідність розробки певної методології узгодженості швидкісного поля з полем тиску (полем глибин), яка представлена у вигляді рівняння змінної Бернуллі.

4. Особливості динамічного стану придонної зони, що полягають у взаємодії з основною товщею потоку та з дном, що деформується, обумовлюють необхідність для математичного опису руху в цій зоні часток наносів та несного середовища використовувати метод взаємодіючих континуумів. Застосування цього методу дозволило отримати математичну модель для цієї зони, яка окремо описує: рух твердої фази з урахуванням впливу стану несного середовища; рух рідкої фази в комплексі із замикаючими рівняннями, що враховують стан потоку та інерційність руслових структур.

5. Геоморфометрія заплавних ділянок характеризується наявністю значної рослинності, намулків від попередніх повенів та паводків і обумовлює генетичну несхожість з руслами. У відповідності з вищезгаданими специфічними умовами, запропоновано систему рівнянь, яка враховує наявність зависі та суттєвого впливу опору від елементів рослинності на динаміку потоку. Відповідно до цих умов розроблено комплекс замикаючих моделей, які дають можливість врахувати зміни в стані заплавного потоку.

6. На підставі запропонованого комплексу математичних моделей, для опису процесів розмивів на характерних ділянках мостових переходів, розроблено якісно нові методи прогнозування загальних та місцевих деформацій, методологія яких базується на реалізації системи запропонованих моделей, рівняння балансу наносів та залежностей для визначення глибин розмивів на заплавах. Для реалізації цього комплексу моделей використовувались сучасні чисельні методи з певним пристосуванням їх до специфічного класу розглядуваних задач.

7. Розроблена теорія, яка підтверджена результатами лабораторних, натурних та чисельних експериментів, дозволила запропонувати інженерні методи прогнозування деформацій в руслах та на заплавних ділянках мостових переходів, які були відпрацьовані на конкретних мостових переходах, показали їх високу ефективність і результативність, та впроваджені на галузевому рівні в організаціях та підприємствах, що входять у сферу управління Державної служби автомобільних доріг України (УКРавтодор): „Методика розрахунку розмивів дна та берегів передгірських ділянок річок та місцевих розмивів біля річкових гідротехнічних споруд” (МРР 218-02070915-231-2003) та „Методика прогнозування розвитку загальних руслових деформацій біля струмененапрямних дамб мостових переходів та рекомендації по усуненню цих деформацій” (МРР 218-02070915-410-2004).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Монографії

1. Славинская Е.С. Моделирование процессов развития внутренних течений с учетом анизотропии открытых турбулентных потоков / В.Я. Савенко, Е.С. Славинская - К.:НТУ, 2004. - 176 с.

Статті у фахових виданнях

1. Славінська О.С. Математична модель переносу забруднюючих речовин поблизу джерела викиду у відкритих потоках з урахуванням анізотропії турбулентності / О.С. Славінська, Л.П. Бондаренко // Вестник НТУУ «КПИ». Машиностроение. - К.: НТУУ»КПИ», 2002. - № 43. - С. 181 - 183.

2. Славінська О.С. Дослідження анізотропного стану тривимірного штучно стиснутого русла / О.С. Славінська // Водне господарство України. - Київ ДІУЕВР. - 2003. - № 5-6. - С. 33 - 34.

3. Славінська О.С., Дослідження місцевих розмивів біля мостових опор / В.Я. Савенко, О.Є. Щодро, О.С. Славінська // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2003. - Вип. 66. - С. 188-198.

4. Славінська О.С. Дослідження звальних течій та місцевих розмивів на криволінійних ділянках передгірських річок / О.Є. Щодро, О.С.Славінська, В.М. Шитов // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2003. - Вип. 67. - С. 173-180.

5. Славінська О.С. Метод розрахунку місцевих розмивів біля навальних берегів та біля річкових гідротехнічних споруд в передгірських умовах / В.Я. Савенко, О.Є. Щодро, О.С. Славінська // Автошляховик України - К.: ДП “ДержавтотрансНДІпроект” Укравтодор, 2004. - № 3 (179). - С. 40 - 47.

6. Славінська О.С. Використання схеми з явною штучною в'язкістю для розрахунку тривимірних гідродинамічних задач / Олена Славінська // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2004. - Вып. 68. - С. 250-259.

7. Славинская Е.С. Трехмерная модель безнапорного неоднородного потока с учетом влияния внутренних течений / Елена Славинская // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2004. - Вып. 70. - С. 208-218.

8. Славинская Е.С. Модифицирование k - е модели турбулентности для неоднородных анизотропных потоков/ Елена Славинская // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2004. - Вып. 71. - С. 180-193.

9. Славинская Е.С. Моделирование турбулентного массообмена для русловых потоков с учетом анизотропии коэффициента турбулентной диффузии / Елена Славинская // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво - К.: НТУ, 2004. - Вып. 72. - С. 164-175.

10. Славінська О.С. Методологічні врахування внутрішніх течій при розрахунку деформацій підмостових русел / Олена Славінська // Вестник ХНАДУ. - Харьков, 2004. - Вып. 26. - С. 70-73.

11. Славінська О.С. Сучасні моделі, методи і технології проектування та будівництва автомобільних доріг і штучних споруд на них / В.Я. Савенко, В.І. Каськів, О.С. Славінська // Автошляховик України: окремий випуск. Вісник північного наукового центру ТАУ. - ДП „Державтотранс НДІ проект”, Укравтодор, - 2005. Вип. 8. С. 170-174.

12. Славінська О.С. Моделювання і прогнозування впливу стічних вод на якість води в річках / В.Я. Савенко, О.С. Славінська, Л.П. Бондаренко // Вестник ХНАДУ. - Харьков, 2005. - Вып. 29. - С. 187-190.

13. Славинская Е.С. Особенности процесса турбулентного переноса загрязняющих субстанций / Елена Славинская, Мария Савина // Гідравліка і гідротехніка: Науково-технічний збірник - К.: НТУ, 2005. - Вип. 61. - С. 60 - 66.

14. Славінська О.С. Тривимірна модель та метод розрахунку переносу забруднюючих речовин в ближній зоні викиду відкритих потоків / Олена Славінська, Людмила Бондаренко // Промислова гідравліка і пневматика / Всеукраїнський науково-технічний журнал. - Вінниця, ВДАУ, АСПГП, 2005. - № 2(8). - С. 77-81.

15. Славінська О.С. Дослідження динаміки турбулентності потоку в зонах розвитку деформацій підмостових русел/ Олена Славінська // Промислова гідравліка і пневматика / Всеукраїнський науково-технічний журнал. - Вінниця, ВДАУ, АСПГП, 2005. - № 4(10). - С. 30-38.

16. Славінська О.С. Вибір моделі турбулентності при дослідженні анізотропного стану відкритого потоку / Олена Славінська // Вестник ХНАДУ. - Харьков, 2005. - Вып. 31. - С. 131-134.

17. Савенко В.Я., Славінська О.С. Метод розрахунку та прогнозування розвитку загальних руслових деформацій в потоках з пасмовою структурою дна / В'ячеслав Савенко, Олена Славінська // Автошляховик України: окремий випуск. Вісник північного наукового центру ТАУ. - ДП „Державтотранс НДІ проект”, Укравтодор, 2006. - № 9. - С. 121 - 125.

18. Славінська О.С. Моделювання процесів турбулентного масообміну в двофазних відкритих потоках для придонної області / Олена Славінська // Вісник Національного транспортного університету. К.: НТУ, 2006. - Вип. 11. - С. 192-198.

19. Славінська О.С. Моделювання гідродинамічних процесів у двофазному відкритому потоці для придонної області з пасмовим дном / Олена Славінська // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. К.: НТУ, 2006. - Вып. 73. - С. 293-300.

20. Славінська О.С. Гідродинамічний опис процесів у придонній області неоднорідного потоку з врахуванням впливу внутрішніх течій / Олена Славінська // Вестник НТУУ «КПИ». Машиностроение. - К.: НТУУ»КПИ», 2006. - № 49. - С. 76 - 81.

21. Славінська О.С. Моніторинг прогнозування руслових деформацій в неоднорідних потоках з урахуванням анізотропних властивостей турбулентності / Олена Славінська // Вестник ХНАДУ. - Харьков, 2006. - Вып. 34-35. - С. 93 -101.

22. Славінська О.С. Гідродинамічний опис структури придонної області турбулентного потоку з урахуванням кореляцій руху часток наносів/ Олена Славінська // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. - Рівне НУВГП, 2006. - Вип. 31. - С. 278-286.

23. Славінська О.С. Моделювання гідродинамічних процесів у відкритих зависенесучих потоках/ Олена Славінська // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. - Рівне, 2007. - Ч.2. - Вип. 4(40). - С. 141 - 153.

24. Славінська О.С. Метод прогнозування загальних руслових деформацій в двофазних потоках з пасмовим дном / Олена Славінська // Дороги і мости: Збірник наукових праць: Т.ІІ.-К.:ДерждорНДІ, 2007. - Вип.7. - С. 189-198.

25. Cлавінська О.С. Дослідження розвитку загальних руслових деформацій в зоні впливу мостового переходу / Олена Славінська // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. К.: НТУ, 2008. - Вип. 75. - С. 286 - 295.

26. Cлавінська О.С. Визначення загальних руслових деформацій під мостовим переходом на основі квазітривимірного методу розрахунку неоднорідних потоків / Олена Славінська // Автошляховик України. -„ ДП Державтотранс НДІпроект”, Укравтодор, 2008. - №6. - С. 33-36

Методики, впроваджені на галузевому рівні

1. Методика розрахунку розмивів дна та берегів передгірських ділянок річок та місцевих розмивів біля річкових гідротехнічних споруд (МРР 218-02070915-231-2003) / розроб. В.Я. Савенко, О.С. Славінська, О.Є. Щодро - К.: УКРАВТОДОР: НТУ, 2003. - 45 с.

2. Методика прогнозування розвитку загальних руслових деформацій біля струмененапрямних дамб мостових переходів та рекомендацій по усуненню цих деформацій (МРР 218-02070915-410-2004) / розроб. В.Я. Савенко, О.С. Славінська, О.Є. Щодро - К.: УКРАВТОДОР: НТУ, 2004. - 27 с.

Збірники доповідей, тез конференцій і семінарів

1. Славінська О.С. Обґрунтування вибору граничних умов для ближньої зони змішування стічних вод з відкритим потоком з урахуванням його анізотропного стану / О.С. Славінська, Л. П. Бондаренко // 59 Наукова конференція професорсько - викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. - К.:НТУ, 2003. - С. 53-54.

2. Славинская Е.С. Особенности численного моделирования нестационарных процессов в зоне смешения разноплотностных потоков / В.Я. Савенко, Е.С. Славинская, Л.П. Бондаренко // Материалы международной научно-практической конференции „Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство, архитектура”. - Омск, 2003. - Кн.2 - С.106 - 108.

3. Славінська О.С. Прогнозування розвитку загальних руслових деформацій біля струмененапрямних дамб мостових переходів / В.Я. Савенко, О.Є. Щодро, О.С. Славінська // 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. - К.:НТУ, 2004. - С. 50.

4. Славінська О.С. Вплив розвитку руслових деформацій на турбулентні характеристики потоку в зонах мостових переходів / О.С. Славінська // Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу України: Тези міжнародної науково-технічної конференції, яка присвячена 60-річчю Національного транспортного університету. - К.:НТУ, 2004. - С. 63.

5. Славінська О.С. Про розвиток загальних руслових деформацій біля струмененапрямних дамб мостових переходів/ В.Я. Савенко, О.Є. Щодро, О.С. Славінська // Сучасні технології та матеріали для будівництва й експлуатації автомобільних доріг: Матеріали наукового семінару молодих вчених та аспірантів. - Харків, 2004. - С. 50 - 51.

6. Savenko V.Ya., Slavinskaya E.S. Hydrodynamic problem of flow past the structures by open flows/ Vyatheslav Savenko, Elena Slavinskaya // Flow and Transport Processes in Complex Obstructed Geometries: from cities and vegetative canopies to industrial problems, NATO ASI, Institute of Hydromechanics of NASU, May 4-5, - Kyiv, 2004. - P. 165 - 167.

7. Славінська О.С. Методологічні основи дослідження турбулентного переносу домішок у відкритих потоках / В.Я. Савенко, О.С. Славінська, Л. П. Бондаренко // 61 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. - К.:НТУ, 2005. - С. 72-73.

8. Славінська О.С. Моделювання турбулентного масообміну в неоднорідних відкритих потоках з урахуванням їх анізотропного стану / Олена Славінська // Матеріали науково-практичних конференцій ІІІ Міжнародного водного форуму „АКВА УКРАЇНА - 2005”, Київ, Українська Водна Асоціація, 2005. - С. 61.

9. Славинская Е.С. Анализ анизотропного состояния открытого потока в зоне влияния мостового перехода / Елена Славинская // Реконструкция Санкт - Петербурга. - С.-П., 2005. - Часть 2. - С. 54 - 58.

10. Славінська О.С. Моделювання гідродинамічних процесів у двофазному турбулентному відкритому потоці/ О.С. Славінська // 62 наукова конференція професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. Тези доповідей. - К.:НТУ, 2006. - С. 71-73.

11. Славінська О.С., Бондаренко Л.П. Нові підходи у прогнозуванні динаміки забруднення водних ресурсів дорожньо-транспортним комплексом / О.С. Славінська, Л.П. Бондаренко // Збірка тез доповідей ІX Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених „Екологія. Людина. Суспільство” (17-19 травня 2006 м. Київ) - К.,.2006. - С. 130.

12. Славінська О.С. Нові методи прогнозування руслових деформацій в неоднорідних потоках з урахуванням анізотропної природи їх турбулентного стану / О.С. Славінська // Современные технологии и материалы в дорожном хозяйстве: Материалы Международной научно-технической конференции. - Харьков, 2006. - С. 27-29.

13. Славінська О.С. Врахування впливу внутрішніх течій на процеси у придонній області відкритого неоднорідного потоку / О.С. Славінська // 63 науково-практична конференція науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.:НТУ, 2007. - С. 102.

14. Cлавінська О.С. Прогнозування загальних деформацій в зоні впливу мостових переходів на основі моделей неоднорідних потоків / О.С. Славінська // LXIV науково-практична конференція науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.:НТУ, 2008. - С. 107.

15. Cлавінська О.С. Дослідження руслових на основі квазітривимірного методу розрахунку неоднорідних потоків/ О.С. Славінська // LXV науково-практична конференція науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.:НТУ, 2009. - С. 102-103.

АНОТАЦІЯ

Славінська О.С. Теорія та методи прогнозування розмивів в зоні впливу мостових переходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - Автомобільні шляхи та аеродроми. - Національний транспортний університет. - Київ, 2009.

У дисертаційні роботі представлено нове вирішення наукової проблеми, що полягає в розробці теорії та методів прогнозування загальних та місцевих розмивів в зоні впливу мостових переходів, які ґрунтуються на положеннях механіки неоднорідних середовищ. На підставі загального рівняння переносу неоднорідного потоку запропоновано систему рівнянь, яка описує динаміку основної зависенесної товщі відкритого потоку. Для замикання цієї системи пристосовано модель турбулентності. В рамках дискретної концепції, отримано математичну модель для придонної області руслового потоку, яка окремо описує: рух твердої фази та рух рідкої фази в комплексі з замикаючими рівняннями, що враховують стан потоку та інерційність руслових структур. Для заплавних ділянок запропоновано систему рівнянь, яка враховує наявність зависі та вплив опору від рослинності на динаміку потоку. Відповідно до цих умов розроблено комплекс замикаючих моделей. Для реалізації системи запропонованих моделей в комплексі з рівнянням балансу наносів та залежностями для визначення глибин розмивів на заплавах використовувались сучасні чисельні методи з певним пристосуванням їх до класу розглядуваних задач.

Ключові слова: мостовий перехід, теорія неоднорідних потоків, загальний розмив, місцевий розмив, зависенесний русловий потік, пасмове дно, заплавний потік, моделі турбулентності, рослинність на заплавах.

Славинская Е.С. Теория и методы прогнозирования размывов в зоне влияния мостовых переходов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.11 - Автомобильные дороги и аэродромы. - Национальный транспортный университет. - Киев, 2009.

В диссертационной работе представлено теоретическое обобщение и новое решение научной проблемы, которое заключается в разработке теории и методов прогнозирования общих и местных размывов в зоне влияния мостовых переходов, на основе положений механики неоднородных сред.

Зона исследований развития деформаций охватывает два постоянно взаимодействующих потока с различной шероховатостью, русловой и пойменный. На основе анализа существующих экспериментальных и теоретических исследований, рассмотрено сложную структуру течения в русловых потоках, которая обусловлена движением частиц наносов в условиях грядового дна, как наиболее характерного и обобщенного для русловых процессов. Расход же пойменного потока может превышать русловой расход. Поверхность пойменной части преимущественно покрыта растительностью. В соответствии с этим, в работе учтено комплекс силовых факторов, которые непосредственно влияют на устойчивость донных структур, и предложено ряд зависимостей для определения составляющих: сил сопротивления движению частиц наносов; подъёмной и вращательной сил в процессе сальтации; сил сопротивления при обтекании мостовых опор и элементов растительности; напряжений за счет контактного взаимодействия с дном.

На основе фундаментального общего уравнения переноса неоднородного потока, опираясь на предположение о малости частиц, предложено систему уравнений, которая описывает динамику основной взвесенесущей толщи открытого потока, а для замыкания этой системы приспособлено модель турбулентности, позволяющую учитывать влияние взвеси на его состояние.

Особенности динамического состояния придонной области, которые заключаются в взаимодействии с основной толщей потока и с деформирующимся дном, обуславливают необходимость для математического описания в этой зоне движения частиц наносов и несущей среды использовать метод взаимодействующих континуумов. На основе метода пространственного осреднения, получено математическую модель открытого неоднородного потока для придонной зоны, которая отдельно описывает: движение твердой фазы с учетом влияния состояния несущей среды; движение жидкой фазы в комплексе с замыкающими уравнениями, учитывающими состояние потока и инерционность русловых структур.

Наличие значительной растительности, наилков от предыдущих паводков обуславливает генетическое несоответствие пойменных участков с руслами. В соответствии с этими предложено систему уравнений переноса, учитывающую наличие взвеси и существенное влияние сопротивления от элементов растительности на динамику потока, а также разработано комплекс замыкающих моделей, которые дают возможность учитывать изменения в состоянии потока.

Для соблюдения условий согласованности скоростного поля с полем давления (полем глубин) в работе разработаны уравнения переменной Бернулли, позволяющие учитывать особенности протекания русловых и пойменных потоков в зоне влияния мостовых переходов, наличие различных русловых форм (островов, осередков и т.д.).

На основе предложенного комплекса математических моделей, для описания процессов размывов на характерных участках мостовых переходов, разработано качественно новые методы прогнозирования общих и местных деформаций, с определенным приспособлением их к специфическому классу рассматриваемых задач. Дискретный аналог и алгоритм решения нестационарных уравнений моделей взвесенесущего руслового, пойменного потоков и турбулентности построен на конечно-разностном методе предиктор-корректор по явной схеме Мак-Кормака. Численная реализация стационарных соотношений и уравнений эллиптического типа проводится на основе явного итерационного метода Гаусса-Зейделя. Для получения однозначного решения конкретной задачи кроме замкнутой системы исходных уравнений прилагаются граничные и начальные условия.

В работе обоснованы и сформулированы начальные условия, в случае нестационарной задачи, граничные условия на всех границах расчетной области. Подвижность твердых границ потока обуславливает необходимость присоединения к составу уравнений динамики русловых потоков граничное условие, устанавливающее связь между изменениями русла и транспортом наносов - двухмерное уравнение баланса наносов. Определение глубин размывов на поймах проводится на основе соотношений действительной и неразмывающей скоростей.

Опираясь на результаты лабораторных, натурных и численных экспериментов, разработанная теория позволила предложить инженерные методы прогнозирования деформаций в руслах и на пойменных участках, которые были отработаны на конкретных мостовых переходах, показали их высокую эффективность, результативность, и внедрены на отраслевом уровне в организациях и предприятиях, входящих в сферу управления Государственной службы автомобильных дорог Украины (УКРАВТОДОР).

Ключевые слова: мостовой переход, теория неоднородных потоков, общий размыв, местный размыв, взвесенесущий русловой поток, грядовое дно, пойменный поток, модели турбулентности, растительность на поймах.

Slavinskа O.S. The theory and methods for predicting an erosion in the bridge zone influence. - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of Doctor of engineering sciences in specialty 05.22.11 - highways and airfields. - National transport university. - Kyiv, 2009.

This thesis presents a new solution of scientific problems is to develop theory and methods for predicting general and local erosions in the bridge zone, that are based on the provisions of the mechanics of inhomogeneous medium. Proposed a system of equations describing the dynamics of the main suspensions bearing thickness open flow, that based on the general equation of inhomogeneous flow. For the closure of the system the model of turbulence adapted. On the concept discrete, received a mathematical model for the river bottom area of channel flow, which apart described: the movement of solid phase; movement of the liquid phase together with the closure equations that take into account the state of flow and the lag of river bed structures. For rivers floodplain areas proposed system of equations, which depends on the suspension presence and resistance depend from of vegetation on the flow dynamics. Under these conditions developed complex of closure models. To implement the proposed system models in combination with balance equation for sediment and dependencies to determine the depths of erosion on the floodplain used in modern numerical methods with some adaptation to class of problems considered.

Keywords: bridge, theory of inhomogeneous flows, the total erosion, local erosion, suspensions bearing flow, ridge bottom, floodplain flow, turbulence model, vegetation on the floodplain.

Размещено на Allbest.ru