Устьевые участки крупных рек, впадающих в моря, являются наиболее плотно населенными районами земного шара. Обилие пресной воды, плодородие почвы, богатство рыбных ресурсов, скрещение речных и морских путей — это весьма важные факторы освоения этих территорий. Вместе с тем устья многих крупных рек гораздо чаще, чем другие прибрежные районы, оказываются во власти грозных стихийных сил природы — нагонных наводнений.
В последние десятилетия в ряде государств мира продолжаются активные развитие и освоение приморских территорий (в основном примыкающих к устьевым участкам крупных рек), в том числе находящихся в зонах периодического затопления во время нагонных и приливных колебаний уровней. Защита осуществляется путем возведения ограждающих сооружений (преимущественно земляных дамб) с судои водопропускными отверстиями. Но из-за высокой стоимости строительных работ и дальнейших эксплуатационных затрат не удается приступить к выполнению многих защитных комплексов или закончить их строительство, например в Санкт — Петербурге и Венеции. Поэтому обеспечение необходимой надежной защиты территорий от воздействия моря с помощью специальных гидротехнических сооружений при строительстве которых наносится минимальный ущерб природе и которые не требуют больших эксплуатационных затрат, является актуальной задачей. В данной работе рассмотрена возможность создание такого гидротехнического комплекса путем строительства судои водопропускных сооружений без перекрытия пролета либо частичным перекрытием пролета по высоте с использованием недорогих затворов из мягких оболочек.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в разработке новых компоновочных решений судои водопропускных сооружений для защиты прибрежных территорий и городов от нагонных явлений на основании результатов комплексных модельных гидравлических исследований и аналитических расчетов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
• аналитическими расчетами и физическими экспериментами обоснована возможность использования для защиты от нагонных явлений судои водопропускных сооружений без установки затворов либо с частичным перекрытием отверстия затворами из мягких оболочек;
• экспериментально выявлены взаимосвязи геометрических и гидравлических характеристик судои водопропускных сооружений (коэффициенты местного сопротивления на отдельных участках и коэффициент расхода ш);
• определены гидравлические условия работы предлагаемых компоновочных решений в различных режимах, установлены ограничения, обеспечивающие допустимый режим судоходства, и скоростные режимы, исключающие повреждение конструкций;
• предложены компоновочные решения, упрощающие конструкции ряда проектируемых и строящихся сооружений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• предложена возможность осуществления защиты устьевых участков рек от нагонных явлений путем ограничения поступающего расхода с помощью судои водопропускных сооружений в ограждающем комплексе, параметры которых определяются из условия допустимого подъема уровня в защищаемой акватории с учетом реального гидрографа нагона;
• при решении задачи о развитии нагонной ситуации в защищаемой акватории посредством составления упрощенных балансовых уравнений выявлено значительное влияние коэффициента расхода ш на получаемые результаты;
• определены факторы, влияющие на коэффициент расхода судои водопропускных сооруженийэкспериментально установлены характер и степень этого влиянияполучены данные для расчета коэффициента расхода m при различных геометрических параметрах;
• получено соотношение уровней в защищаемой акватории и на выходе из сооружения, что значительно упрощает решение задачи распространения нагонных явлений в защищаемой акватории;
• показана возможность применения для ряда городов, которые наиболее всего подвержены воздействию нагонных наводнений, предлагаемых двух компоновочных схем для ситуации в районе г. Калининграда и схемы с ограничением высоты отверстия затворами из мягких оболочек в защитных сооружениях г. Санкт — Петербурга.
На защиту выносятся:
• данные рас четно-теоретических и экспериментальных исследований, компоновочно—конструктивных решений, которые позволяют ограничить нагонный расход, проходящий через сооружения, без превышения критического уровня в защищаемой акватории;
• результаты обоснования и расчета пропускной способности предлагаемых компоновочных решений: без ограничения высоты отверстия или с его частичным ограничением затворами из мягких оболочек;
• методика выбора компоновочных схем судои водопропускных сооружений в составе защитного комплекса на основе прогнозирования развития ситуации при нагонном явлении.
Достоверность основных научных исследований, рекомендаций и выводов подтверждается результатами численных экспериментов, согласующимися с данными натурных наблюдений, совпадением расчетных данных по определению пропускной способности судои водопропускных сооружений с данными лабораторных экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 6-й научно-технической конференции студентов и молодых ученых (МГСУ, г. Москва).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа содержит 202 страницы, в том числе 44 таблицы, 64 иллюстрации.
Список литературы
состоит из 171 наименования, из них 18 на иностранных языках.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
Геометрические параметры водо и судопропускных сооружений существенно влияют на развитие нагонных явлений за пределами этих сооружений и соответственно коэффициент расхода ш. Вместе с тем в настоящее время отсутствует единая теория, описывающая сложный характер течения в сооружениях, что осложняет выбор типа конструкций, определения расчетной схемы сооружения и проходящих расходов. В связи с отмеченными недостатками существующих компоновочных схем защитных сооружений разработка новых схем защиты прибрежных территорий, позволяющие существенно снизить затраты на проектирование и строительство сооружений, является актуальной. Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. На основе анализа материалов по реализуемым и проектируемым сооружениям для защиты от нагонных явлений устьевых участков рек, впадающих в моря, выдвинуто предложение о возможности осуществления защиты от нагонных явлений ограничением поступающего расхода вторжения с помощью судои водопропускных отверстий. Предложена методика определения пропускной способности таких отверстий, учитывающая гидрограф нагона, морфометрию защищаемой акватории, речной расход и геометрию отверстия.
2. Предложены новые компоновочные схемы судои водопропускных сооружений: без перекрытия пролета и с частичным регулирование высоты отверстия путем установки затворов из мягких оболочек.
3. Разработана математическая модель для расчета нагонных явлений на основе балансового дифференциального уравнения. Выполненное сопоставление результатов расчета на основе предлагаемой модели с данными численного интегрирования уравнения Сен-Венана и с результатами натурных измерений показало приемлемую точность предлагаемой математической модели.
4. Для оценки пропускной способности предлагаемых компоновочных решений в рамках предложенной математической модели возможно применение теории водослива.
5. Анализ решений задачи развития нагонных явлений в защищаемых акваториях с использованием балансовых уравнений выявил значительное влияние коэффициента расхода отверстий на результаты расчетов превышения уровня.
6. Установлено, что форма гидрографа с соотношением времени продолжительности фазы повышения уровня нагона к фазе спада 1:2 без существенного снижения точности расчетов колебаний уровней может быть рекомендована к использованию при математическом моделировании для условий Балтийского моря.
7. На основе выполненных экспериментов доказано, что коэффициент расхода водопропускных отверстий в основном зависит от соотношения отметок уровней за и перед сооружением и коэффициентов местных сопротивлений, которые зависят от геометрических параметров сооружения. Вид этих зависимостей установлен экспериментально и представлен в форме удобной для практического использования.
8. Экспериментально установлены соотношения уровней в защищаемой акватории и на выходе из прямого участка водопропускных отверстий, что значительно упрощает решение задачи определения расхода, пропускаемого сооружением.
9. Доказана эффективность расчетной схемы без перекрытия пролета затвором для применения в качестве судопропускного сооружения в составе защитного комплекса г. Калининграда, а расчетной схемы с затворами из мягких оболочек — для применения в судопропускных сооружениях г. Санкт — Петербурга. На основе выполненного анализа показано, что применение предлагаемых компоновочных схем ведет к снижению затрат на строительство защитных комплексов.
В заключение следует отметить, что в настоящей работе затронуты основные проблемы, связанные с определением развития нагонных явлений за пределами ограждающих сооружений, с выбором простой компоновочной схемы защитных судо и водопропускных сооружений, которые либо не изучены вообще, либо изучены частично. В известной степени удалось обосновать применение новых конструкций сооружений и выбор методики их расчета. Проектирование предложенных конструкций судои водопропускных сооружений приведет к повышению надежности и эффективности, а также к снижению затрат на защиту городов и подтопляемых территорий от катастрофических нагонных явлений.
