Моделирование движения наносов и размывов русла

Трудности моделирования гидравлических явлений существенно возрастают при необходимости прог­нозирования результатов взаимодействия водных потоков с руслом. При проектировании мостовых переходов едва ли не самым важным является определение деформации рус­ла (общих и местных размывов) в районе мостового пере­хода. От характера развития русловых деформаций зависит не только трансформация потока, но и надежность самого сооружения, стоимость строительных и эксплуатационных работ.

Вряд ли можно надеяться получить вполне достоверные данные на модели для столь сложного явления, как взаимо­действие пространственного потока с размываемым руслом.

Лучше обстоит дело, если есть возможность обеспечить полное геометрическое подобие потока и слагающего русло материала. Но последнее применительно лишь к случаю, когда частицы материала являются достаточно крупными и несвязными (крупные и средние камни, обломки и т. п.). Если материал русла состоит из достаточно мелких несвяз­ных частиц, например песка, то моделировать поведение такого русла в условиях его подвижности гораздо сложнее. Еще большие трудности возникают при моделировании раз­мывов связных грунтов (суглинков, глин и т. п.).

При проектировании сооружений различают местные и общие размывы русла. Местные размывы образуются в окрестности какого-либо локального препятствия на пути движущегося потока, например крупного камня, мостовой опоры, и связаны с местным переформированием поля ско­ростей в потоке. Общие размывы происходят на участ­ках значительной протяженности и обусловливаются либо типом руслового процесса, либо серьезным нарушением естественного режима водотока искусственным сооруже­нием, например сжатием потока подходными насыпями мостового перехода.

При моделировании размыва грунта водным потоком должно быть обеспечено подобие движения частиц грунта в натуре и на модели: при этом различают влечение их по дну и взвешивание частиц потоком. Для взве­шенных частиц необходимо обеспечить подобие действую­щих на них подъемной силы и силы тяжести. Значительную роль при этом играет гидравлическая крупность частиц w, т. е. скорость их осаждения в покоящейся воде. Очевид­но, в подобных потоках соотношение vfw должно быть оди­наковым. Следовательно, масштаб гидравлической крупно­сти m_w должен быть равен масштабу скорости т_u. При мо­делировании «по Фруду»

Так как гидравлическая крупность w в общем случае зависит от числа Рейнольдса Re_d, где d диаметр части­цы, то необходимо, чтобы выполнялось Re_dM=Re_dH, а это приводит к трудностям в подборе материала модельных частиц. Однако если Re_dн≥Re_drpн, то, обеспечив условие Re_dм ≥Re_dГрм, можно при моделировании «по Фруду» рассчитывать на то, что форма и глубина местных размы­вов на модели будут подобны натуре. Обычно такие условия имеют место для дорожных водопропускных сооружений типа малых мостов, дорожных труб и т. п.

Если Re_dн<Re_drpн или грунты являются связными, моделирование русловых деформаций резко осложняется. Сведения о приемах моделирования в этих случаях можно найти в специальной литературе.