Прогноз местных размывов на сопрягающих сооружениях Донского магистрального канала для предотвращения развития оползневых процессов

Одним из крупных водосбросных сооружений на Донском магистральном канале является концевой сброс в Садковскую балку (Веселовское водохранилище на ПК 1115+79), с максимальным расходом 50 м³/с, предназначенный для обводнения и опреснения Веселовского водохранилища. Концевой сброс представляет собой комплекс следующих сооружений: головного шлюза-регулятора с водосливом, надшлюзового здания для управления затворами, быстротока с водобойным колодцем, переходного участка, консольного перепада в виде железобетонного лотка прямоугольного сечения (рисунок 1).

Рисунок 1 — Концевой сброс в Садковскую балку При сбросе воды через консольную часть лотка образуется воронка размыва, которая провоцирует развитие оползневых процессов в консольной части сооружения (рисунок 2).

Рисунок 2 — Оползневые процессы на концевом сбросе в Садковскую балку В консольных водосбросах для отброса потока от сооружения и гашения его избыточной кинетической энергии до и в воронке размыва вместе с горизонтальной консолью используются также наклонный порог (трамплин), расщепитель (растекатель) потока в виде разделительных стенок, носок-расщепитель, гребенчатый трамплин и другие конструктивные элементы, размещаемые на консольной части водосбросного сооружения.

В рамках данной работы предполагается провести анализ влияние жидкости на основания канала с учетом кинематических и динамических свойств жидкости и конструктивных особенностей водосбросных сооружений с целью предотвращения развития оползневых процессов.

Для анализа влияния жидкости на основании водосбросного сооружения необходимо знать кинематические параметры жидкости в канале. К настоящему времени отсутствуют универсальные зависимости, позволяющие рассчитывать эти параметры. Исследования, проведённые различными авторами [1−7], позволили вывести некоторые формулы, позволяющие рассчитывать скорость воды в зависимости от ряда показателей, характеризующих индивидуальные особенности канала: коэффициент условий работы, учитывающий наличие наносов в коллоидном состоянии, средний диаметр частиц грунта и пр.

Рассмотрим общий случай движения жидкости в канале. Скорость, м/с, частицы жидкости, находящейся в геометрической точке, подчиняется уравнению:

(1).

где, А — коэффициент турбулентного обмена;

K — коэффициент пропорциональности;

C — коэффициент Шези;

h — глубина измерения, м;

I — уклон водной поверхности, м;

i — уклон дна, мм/м;

g — ускорение свободного падения, м/с².

Направление осей выбирается следующим образом: абсцисса направляется вдоль потока, ордината — отсчитывается от динамической оси потока по направлению к берегу, аппликата — от поверхности ко дну канала. Переменный коэффициент связан со скоростью потока уравнением В. М. Маккавеева [1]:

(2).

Учёт последнего соотношения позволяет записать (1) в виде:

(3).

Для упрощения расчетов заменим значение квадрата скорости на переменную u, м/с [1]:

(4).

это приводит к упрощению [1]:

(5).

Примем, тогда (5) запишется [1]:

(6).

Положим, тогда (5) примет вид [1]:

(7).

Некоторый интерес представляет одномерное (вертикальное) распределение скорости жидкости [2−4]:

(8).

Уравнения (1)-(8), дополненные граничными условиями, позволяют рассчитать картину распределения скоростей жидкости в простейшем, одномерном случае в плоско-вертикальном и в наиболее общем, трехмерном случае.

Существует множество эмпирических зависимостей для распределения скоростей по вертикали водного потока. Такие зависимости обыкновенно имеют форму параболы второго порядка, гиперболы, эллипса, логарифмики и пр.

Наиболее популярным является эмпирическое распределение Базена [3]:

(9).

где — средняя скорость по вертикале, м/с;

U₀ — скорость в точке поверхности жидкости, лежащей в рассматриваемой вертикали, м/с;

m — параметр эмпирического характера: по Базену m = 22,3, по Буссонеско ;

— относительная глубина, равная.

(10).

где H — глубина по вертикали, м.

В общем случае движение водного потока является переменным. В малых искусственных сооружениях расход потока по всей длине сооружения считается постоянным. Такое движение можно считать установившимся. Иногда такое движение нарушается, и появляется переменный расход потока.

Для переменного движения жидкости существует величина удельной энергии:

(11).

где Э — удельная энергия, м;

а — безразмерный параметр;

v — скорость частицы жидкости, м/с;

Q — расход воды, м³/с;

w — площадь живого сечения, м².

Эта энергия, причиной которой является наличие гидродинамического напора, отсчитывается от нижней точки дна поперечного сечения канала.

Глубина водного потока, по достижении которой минимизируется удельная энергия рассматриваемого сечения при известном расходе потока, называется критической глубиной. Такое состояние потока, при котором, является критическим. размыв водосбросный мелиоративный канал Для любой формы сечения потока его критическое состояние описывается уравнением:

(12).

где w_кр — критическая площадь живого сечения потока, м², откуда.

(13).

где В_кр — критическая ширина свободной поверхности потока, м.

Рассмотрение прямоугольного сечения канала позволяет получить следующее выражение для его критической глубины:

(14).

Исследование трапецеидального сечения канала приводит к следующей формуле:

(15).

где — критическая глубина для прямоугольного сечения канала, при общей ширине дна для трапеции и прямоугольника;

m — коэффициент заложения откоса,.

(16).

где h_кn — критическая глубина прямоугольного сечения канала, м;

b — общая ширина дна для трапеции и прямоугольника, м.

В первом приближении, отбросив слагаемые степени выше первой, получим [1]:

(17).

При треугольном сечении потока критическая глубина потока будет:

(18).

При определенных соотношениях между глубиной и критической глубиной потоков выделяют три их состояния:

• — бурное состояние потока характеризуется неравенством ;
• — спокойное состояние потока характеризуется неравенством ;
• — критическое состояние потока характеризуется неравенством .

А. Ш. Мамедовым были предложены выражения допускаемой средней глубины потока Н_ср, м, при известных параметрах грунтов [5]:

— для несвязных грунтов:

; (19).

— для связных грунтов:

(20).

где — специальное обозначение;

в — коэффициент, характеризующий состояние русла и влияние транспорта наносов на русловые процессы;

J — уклон потока;

с₀ — плотность воды, кг/м³

с_г — плотность грунта русла, кг/м³;

— коэффициент перегрузки, который учитывает свойство пульсации скоростей:

(21).

где d — средний диаметр частиц грунта, мм;

— усталостная прочность на разрыв связного грунта;

K — опытный коэффициент.

Глубину размыва за жёсткой рисбермой, м, можно рассчитывать, пользуясь следующей эмпирической формулой [6]:

(22).

где — глубина размыва за жесткой рисбермой, м;

h₀ — глубина, отвечающая срывающей скорости, м;

(23).

где v_c — кинематическая вязкость воды, м²/с;

h_кр — критическая глубина, м:

(24).

где — эмпирический параметр;

— глубина в конце рисбермы, м.

Глубина за воронкой размыва рассчитывается из соотношения [6, 7]:

м, (25).

где — критическая скорость, м/с.

В некоторых работах рекомендуется определять неразмывающую скорость из следующих групп соотношений:

— для несвязных грунтов:

(26).

где v_н — неразмывающая скорость, м/с.

— для связных грунтов:

(27).

где H_ср — средняя глубина потока, м;

n₀ — безразмерный параметр.

Рассмотренные математические зависимости позволили выделить следующие параметры, оказывающие влияние на степень местных размывов на концевых водосбросных сооружениях мелиоративных каналах: скорость течения, степень сжатия потока, крупность, расход, форму и перемещение донных наносов, глубину и форму опор в плане и поперечном сечении, форму гидрографа, косину струй, длительность стояния высоких уровней воды в Садковской балке и пр.

Выводы

• 1. Приведенные математические зависимости позволяют проанализировать степень воздействия водного потока на основания водосбросных сооружениях каналов мелиоративных систем. Моделирование местного размыва каналов основывается на глубоком анализе причин возникновения данного явления. Основными являются кинематические параметры жидкости, скорость и направление распространения потока жидкости, конструктивные особенности канала.
• 2. При моделировании процессов образования местных размывов в первую очередь необходимо пользоваться уравнениями гидродинамики для определения кинематических и динамических характеристик водного потока: скорости, давления, плотности в зависимости от глубины и продольной координаты потока.
• 3. На основании проведенных исследований можно сказать, что основополагающими зависимостями являются теоретические (1)-(7) и эмпирические (7)-(27) зависимости.

Библиографический список

• 1. Ибадзаде, Ю. А. Транспортирование воды в открытых каналах / Ю. А. Ибадзаде. — М.: Стройиздат, 1979. — 272 с.
• 2. Проектирование речных гидроузлов на нескальных основаниях / А. П. Вощинин [и др.]. — М.: Энергия, 1967. — 263 с.
• 3. Прогресс в проектировании и строительстве высоких плотин из грунтовых материалов / А. А. Боровой [и др.]. — М.: Гидротехническое строительство. — 1983. — № 8. — 47−53 с.
• 4. Павчич, М. П. Проектирование и строительство грунтовых плотин особого типа. Проектирование и строительство больших плотин / М. П. Павчич, В. Г. Радченко, М. Б. Гинсбург — М.: Энергоиздат, 1981. — Вып. 3. — 136 с.
• 5. Гидротехнические сооружения / Н. П. Розанов [и др.]; под ред. Н. П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.
• 6. Гидротехнические сооружения / Г. В. Желязняков [и др.]; под ред. В. П. Недриги. — М.: Стройиздат, 1983. — 543 с.
• 7. Гидроэнергетика и комплексное использование водных ресурсов / П. С. Непорожний [и др.]. — М.: Энергоиздат, 1982. — 559 с.
• 8. Воробьев, Г. А. Защита гидротехнических сооружений от кавитации / Г. А. Воробьев. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 247 с.