книги из ГПНТБ / Чернышов, Ф. М. Повышение эффективности путевых работ на многорукавных участках судоходных рек учеб. пособие

Обозначив начальную площадь эпюры скоростей для вертикали Fv и используя формулы А. В. Караушева [52], получим выраже­ ние для приращения глубины русла в результате размыва

'вом приближении его значение можно принимать равным 0,8—0,9.

При оценке по формуле (173) ожидаемых приращений судоход­ ных глубин Л Г за счет работы полузапруд, значения коэффициен­ тов Л"св могут быть установлены на основании экспериментальных графиков автора (см. рис. 102, 103). Эти же графики допускается использовать и применительно к струенаправляющим дамбам. В по­ следнем случае за расчетный принимают поперечник, проходящий через голову сооружения нормально к потоку при бытовом состоя­ нии русла. При этом фактически перекрываемая сооружением часть площади живого сечения реки (рукава) и площади переливающего­ ся через него потока заменяются фиктивными на указанном выше поперечнике, т. е. их «проекциями». Более точные результаты рас­ чета можно получить для уїла наклона сооружений к потоку, рав­ ного 135° или близкого к нему, если в дополнение к эксперименталь­ ным графикам учесть данные табл. 18. При других углах наклона полузапруд и струенаправляющих дамб к потоку рекомендуется пользоваться экспериментальными графиками, полученными В. В. Дегтяревым и А. Т. Иващенко [17].

В случае оценки гидравлической работы запруд, определению расчетной величины Мсв должно предшествовать решение задачи распределения расходов воды по рукавам выправляемого участка при проектных условиях.

К оценке роли «головного» сооружения в системе полузапруд.

В настоящее время при широком строительстве на судоходных ре­ ках выправительных сооружений значительный интерес представ­ ляет изучение работы затопленных полузапруд, расположенных иод различными углами к направлению течения, и с различными укло­ нами гребней. При этом возникает вопрос о рациональности распо­ ложения верхнего (первого) сооружения в системе полузапруд на­ встречу или даже перпендикулярно потоку. Представляется, что в поисках скрытых ресурсов повышения гидравлической эффективно­ сти работы головного сооружения решение вопроса о назначении для него угла размещения относительно направления потока полу­ чает вполне определенное практическое значение, хотя бы в связи с целесообразностью сохранения гидравлических характеристик по­ тока при его движении из верхней плесовой лощины к гребню пере­ ката и ниже.

С этим мало исследованным вопросом оценки роли головного сооружения связан другой, очень важный для практики вопрос — о' применении при проектировании системы полузапруд однотипных конструкций. Действительно, нижние сооружения системы полузапруд в основном предназначены для поддержания перераспределе­ ния расхода воды по ширине русла, что уже осуществляется верх- -ним головным сооружением. В этом случае целесообразно идти по линии комплексного использования сооружений капитального, об­ легченного и легкого типов. Особенно широко это может быть при­ менено при освоении малых и "боковых рек, так как русловые про­ цессы на них сравнительно легко управляются сооружениями, не требующими чрезмерно больших объемов работ. Попутно отметим,

Относительная толщина пвреливающвгася слоя ЛС Л

имеются подобные примеры проектирования сооружений, давшие вполне положительные результаты. Так, при выправлении р. Белой вторые и последующие сооружения строились с шириной по верчу вдвое меньшей, чем первые — головные, но с сохранением однотип­ ности конструкции тела сооружений, которые имели также различ­ ные размеры расстилочных тюфяков. В последнее время на Север­ ной Двине, Вычегде, Припяти, Соже, Туре, Тоболе и других рекахприменяются более облегченные конструкции вторых и последу­ ющих полузапруд.

290 '

В этом же плане были выполнены экспериментальные исследо­ вания по гидравлической оценке угла наклона к потоку головного сооружения и определению возможности использования в системах полузапруд сооружений облегченных конструкций [36].

Эксперименты проводились в лотке шириной 2,34 м при двух поперечных сечениях (прямоугольном и трапецеидальном) и степе­ ни их стеснения сооружениями, равной 20 процентов. Полузапруды облегченной конструкций представляли собой однорядные плетни тех же плановых и высотных размеров, что и основные (капиталь­ ные) сооружения. Максимальная высота моделей сооружений со­ ставляла 6 см при средней высоте их 2 см. Эти высотные размеры сооружений в натуре (для небольших и некоторых средних рек)1 соответствовали натурным условиям, в которых у их голов глубины потока при проектном уровне составляют 1,5 м (сооружения для небольших и некоторых средних рек). Превышения же отметок го­ лов полузапруд над проектным уровнем при пересчете в натуру со­ ответствовали 1,0— 1,5 м.

Угол наклона первого (головного) сооружения к потоку имел два значения: 75° и 135°. Последующие сооружения, как в «одно-

основании которых и были получены нами экспериментальные гра­ фики на рис. 102 и 103. В частности, также устанавливалась графиче­

ская связь Я С В = / ( Л " С Л ) — , в которой коэффициент Ксл характе­

ризует отношение слоя воды tC7! (для вертикали у головы соору­ жения) к высоте головы сооружения hc а / и s —- соответственно: длину сооружений (при угле их наклона к потоку 75°) и расстояние между ними.

Результаты этих опытов и характеристика исследованных схем плановой компоновки систем полузапруд приведены в таблице 18.

Анализ этих данных показывает, что при прочих равных услови­ ях гидравлический эффект системы («гребенки») полузапруд, го­ ловное сооружение которой расположено по течению (аі=Л35°), не­ сколько выше, чем в системе полузапруд с обычно расположенным головным сооружением (cxi=75e ). Очевидно, что при стеснении рус­ ла больше чем на 20 процентов этот эффект возрастет. Опыты пока­ зали, что гидравлический эффект системы капитальных полузапруд в распределении расхода воды между свободной и перекрываемой частями русла мало отличается от гидравлического эффекта систем мы лолузалруд, имеющей в своем составе, как капитальные (голов­ ные), так и плетневые (второе, третье и т. д.) сооружения. Возмож-j но, что при больших стеснениях русла преимущество окажется за капитальными сооружениями.

Что касается возможного размыва русла непосредственно за со-

оружением, которое направлено косо вниз, то его можно устранить устройством у головы сооружения так называемого «глаголя». При

пруды (струенаправляющей дамбы). При коротких сооружениях, когда русло перекрыто не более чем на 20 процентов, достаточно иметь один уступ-траверс, при перекрытии русла на 30—35 про­ центов в случае относительно устойчивого русла можно ограничить­

Рис. J10. Донные течения потока у затопленной головной по­ лузапруды, имеющей глаголь (а) или глаголь с траверсом (б)

Таким образом,, выполненные исследования раскрывают допол­ нительные возможности для удешевления выправительных работ, а также для выбора наиболее рациональных схем компоновки регуля­ ционных сооружений в плане и по степени капитальности их конст­ рукций. . При этом наиболее значительного эффекта следует ожи­ дать при выправлении группы перекатов, где более полно могут быть использованы возможности рационального чередования ка­ питальных и облегченных конструкций полузапруд и струенаправляющих дамб.

В исследованиях подробно изучалась также и гидравлическая работа затопленных полузапруд, направленных навстречу потоку. При этом не было обнаружено заметного влияния угла наклона со­ оружений к направлению потока на дополнительное (по сравнению с нормально расположенными) вытеснение расхода воды в свобод­ ную часть русла. Это объясняется тем, что при размещении полу­ запруд навстречу потоку, в отличие от схем размещения их под уг­ лом вниз по течению, исключается подпорное влияние прибрежной мелководной части русла {лотка) на переливающийся через гре­ бень сооружения слой воды,

Однако, начиная со встречного угла наклона сооружения к по­ току, равного 60° и менее, наступает заметное расслоение потока по глубине. Это дает основание рекомендовать подобный угол наклона полузапруд к потоку лишь в тех случаях, когда при перпендикуляр­ но расположенных сооружениях снижение скоростей в перекрыва­ емой части русла не вызывает отложения наносов, а увеличение скоростей поступательного потока в свободной части не обеспечи­ вает необходимый их транзит за пределы переката. При этом име­ ется в виду, что возможность увеличения высоты сооружений иск­ лючается по условиям ледохода, а увеличение степени стеснения русла — затруднениями проводки судов и составов через выправля­ емые перекаты, а также значительными объемами размывов русла и обмелением нижележащих перекатных участков.

Попутно заметим, что получившие распространение в практике выправления углы наклона полузапруд навстречу потоку, равные 75—85°, не имея каких-либо преимуществ по сравнению с углом в 90°, по существу несколько ухудшают гидравлические условия в районе примыкания корневых частей сооружений к берегу. Это объ­ ясняется тем, что при небольших слоях перелива воды через гребень сооружения к его корню направляется сосредоточенный поток, ха­ рактеризующийся повышенными скоростями течения.

К вопросу о назначении высоты полузапруд на перекатах.

Уже отмечалось, что для коренного улучшения судоходных условий на многорукавных затруднительных участках следует применять различные по высоте выправительные сооружения. Кроме того, на­ значение высоты полузапруд тесно связано с вопросом использова­ ния конструкции сооружений"различной капитальности.

Методика определения высоты выправительных сооружений подробно изложена в работе ЛИВТа [22]. В ней же описан разра­ ботанный с участием автора графо-аналитический способ расчета высоты затопленных полузапруд, основанный на использовании экс­ периментальных данных і(см. рис. 102 и 103). Согласно этому спосо­ бу расчета, при постоянной ширине выправительной трассы на пе­ рекате Вт высоты полузапруд могут оказаться одинаковыми лишь в случае их возведения в призматическом русле. Для форм живых сечений естественных русел при Вг = const полузапруды, как пра­ вило, будут разновысотными; по мере приближения створов полу­ запруд к гребню переката их высоты должны увеличиваться. Кроме того, разновысотность сооружений определяется еще и тем, что для одного и того же относительного перераспределения расхода воды по ширине русла при малых перекрытиях высота полузапруд долж­ на быть больше, чем при значительных перекрытиях.

Отмеченное выше не противоречит стремлению получить опреде­ ленные формы руслового строения и элементов хороших перекатов — перевалов после выправления. Однако на практике во всех случаях целесообразно увеличивать высоту полузапруд. Чаще все­ го такому решению мешают условия ледохода. Очевидно, тогда сле-

дует пойти по линии проектирования вдоль переката выправитель­ ной трассы переменной ширины.

Ширину выправительной трассы при заданной высоте полуза­ пруды можно определить, используя те же экспериментальные гра-і фики (см. рис. 102 и 103), но с некоторым видоизменением упомя­ нутого выше графо-аналитического способа расчета полузапруд. В данном случае графическое решение по расчету высоты полузапру­

2гр*сояй

тр расч {(т)-<рактическа(г

ЇЇ)

Рис. 111. Графические схемы расчета высоты полузапру­ ды (а) и ширины выправительной трассы (б)

Особенности расчета отметок гребней активно фильтрующих запруд. Здесь рассматривается учет фильтрации воды через тело запруды, наблюдающейся При затопленном ее состоянии. В связи с этим можно отметить,'что чем крупнее грунт тела сооружения, тем большее влияние оказывает фильтрационный расход на отметку его гребня. Поэтому при значительных перепадах уровней водьг верхнего и нижнего бьефов, расчет высоты сооружения целесооб­ разно выполнять с учетом как переливающегося через него, так и фильтрующегося расходов.

Известный практический интерес будут иметь запруды из ка­ менной наброски; поскольку при этом следует ожидать наибольших коррективов в высоте сооружений за счет явления фильтрации. В отдельных случаях желательно рассмотрение фильтрации через за­ топленные запруды из крупного песка и гравийно-галечного грунта.

Гидравлический расчет безнапорной фильтрации через тело за­ пруд здесь не рассматривается по следующим причинам:

а) разность ,отм'еток уровней воды верхнего и нижнего бьефов у запруд в неза'топленном состоянии редко превышает 0,5—1,0 м;

б) поперечные профили этих сооружений обычно очень рас­ пластаны, особенно, если они сложены из грунта;

в) .методика этого расчета достаточно широко освещена в спе­ циальной литературе и справочных пособиях.

Приведенный основной закон фильтрации имеет определенный предел применимости. Отклонения' от этого закона особенно четко

Некоторые исследователи при рассмотрении вопросов нелиней­ ной фильтрации принимают показатель степени в этой формуле п равным 2/3. При достаточно больших скоростях фильтрации пока­ затель степени п приближается к значению равному 0,5 и, следо­ вательно, в этих случаях фильтрация будет турбулентной, для ко­ торой могут быть использованы известные формулы Н. Н. Павлов­ ского, С. В. Избаша и др. [55], [56], [57].

бень), средний размер которого около 50 мм, Н. П. Пузыревский ре­ комендует пользоваться формулой (176), полагая в ней /1=0,5 [55].

Некоторое распространение в теории фильтрации получила за­ висимость, установленная Кребером — Замариным [57],

При этом диаметр зерен грунта d должен приниматься в форму­ ле (180) в мм, а в формуле (181) — в см.

В формуле (180) коэффициент фильтрации выражается зависи­ мостью

Переходя к описываемому расчету отметки гребня запруды, от­ метим, что им учитывается наличие фильтрации лишь через тело сооружения при исключении ее в обход сооружения, т. е. предпола­

правой части равенства, до выполнения расчетов неизвестна.

Для установленного значения расхода воды в судоходном рука­ ве Qc x расчет выполняется в такой последовательности:

1. Задаются три или более значения высоты запруды hc .

2. При этих значениях hz определяются (по аналогии с обыч-

конструктивных соображений, а значения пологости откосов запру­ ды должны определяться особенностями технологии возведения со­ оружений и родом грунта).

3. Устанавливается либо по эмпирическим формулам, либо по данным справочной литературы значение коэффициента фильтра­ ции ft.