книги из ГПНТБ / Регулирование русел лесосплавных рек

Опытные кривые, построенные для переменных значений угла отвода запанного рукава

@ = 0° — 90°,

мало отличаются друг от друга для одного и того же коэффи­ циента перекрытия Р (рис. 21). Это указывает на то, что угол отвода в исследованных пределах имеет сравнительно незначи-

Рис. 21. Кривая зависимости коэффициента отвода нано­ сов в запанный рукав от п при разных углах отвода

К этому выводу пришел доктор технических наук В. А. Шау­

мян в работе «Научные основы орошения и оросительных соору­ жений», который на основании многочисленных опытов по

боковому отводу (при Р = 0) указывает на то, что угол отвода в пределах от 30 до 90° не оказывает существенного влияния на внутренний режим разделения потока и на ширину захвата дон­ ных и поверхностных токов в отводящее русло, объясняя это тем,

что разделение наблюдается не у входа в отвод, а Значительно выше его.

Под воздействием бокового отвода воды происходит изгиб потока, что приводит к его расслоению как в основном русле, так и в отводящем. Оно выражается в том, что верхний слой посту­ пает в отвод со значительно меньшей ширины основного русла, чем донный слой.

При наличии запани в рукаве создающийся поперечный уклон

поверхности воды в узле разветвления вызывает заметное рас­

91

слоение потока, благодаря которому донные и придонные слои воды вместе с наносами отклоняются от запанного рукава.

Заметим, что коэффициент отвода наносов при одних и тех же значениях расходов и других характеристиках всегда больше

коэффициента отвода расхода воды.

Выясненный в первом приближении характер распределения русловых наносов в разветвленных руслах при наличии запани в рукаве позволяет рассмотреть меры по борьбе с заносимостью акваторий лесохранилищ.

Необходимо так регулировать режим наносов, чтобы прежде всего устранить причины, приводящие к заилению запанного рукава реки.

К удалению наносов следует прибегать лишь тогда, когда воз­ можности устранения причин отложения наносов полностью исчерпаны.

Для правильного регулирования режима наносов необходимо знать, помимо характера распределения наносов, также характер отложения наносов и размывов, вызываемых влиянием пыжа запани.

Как известно, для запани, располагаемой в неразветвленном русле, в зоне наибольшего стеснения пыжом потока обычно

наблюдается размыв русла, а в зоне подпора — отложение на­ носов.

Отложение наносов наблюдается и ниже запани.

Аналогичная картина будет наблюдаться и при расположении запани в речном рукаве. Отложение наносов объясняется умень? шением в подпорной части реки от пыжа транспортирующей способности потока. Предотвратить размыв русла реки под пыжом при деформируемом дне невозможно. Уменьшить размыв русла можно путем установки шатровой запани. Для сохранения необхо­ димых глубин в протоке с запанью обычно применяется удаление наносов землечерпательными снарядами.

Иное положение с зоной аккумуляции наносов в верхней части пыжа. Отложение наносов на этом участке запанного рукава существенно влияет на режим его, уменьшая его водопропускную

способность, и во многих случаях служит причиной отмирания протоки.

Характер ожидаемых деформаций может быть в первом прш ближении определен из равенства

Деформации русла определяются соотношением фактического расхода русловых наносов бфак, поступающих на данный участок русла, и местной транспортирующей способностью потока G.

Нарушение равенства G = G$aK определяет характер дефор­ мации — заиление или размыв.

При этом возможны три расчетных случая: •

а) при G = 0фак деформации размыва или заиления не про­ исходит — русло находится в стабильном состоянии;

92

6)G бфак возникает деформация размыва.

По истечении времени с понижением дна уменьшаются сред­ ние скорости течения, а вместе с ними происходит уменьшение

транспортирующей способности потока до тех пор, пока новое значение Gj не станет равным Сфак;

в) при G Сфак происходит аккумуляция части русловых на­ носов, вызывающая повышение дна.

Эта деформация вследствие увеличения уклона русла приво­ дит к повышению значения G, пока новое его значение Gt не ста­

нет равным 0фак.

В обоих последних расчетных случаях для деформируемых русел деформации развиваются в направлении уменьшения раз­ рыва между G$aK и G.

Нас будет интересовать первый расчетный случай, предусмат­ ривающий G — 0фак.

Транспортирующая способность потока G может быть опре­ делена по упрощенному уравнению проф. доктора технических наук В. Н. Гончарова:

размерные величины, входящие в формулу, выражать

в м и сек.);

Р— приведенная порозность русловых отложений прини­

мается равной отношению объема пустот к объему зе­ рен в данном объеме; для песчаных и гравелистых

грунтов приведенная порозность изменяется в пределах от 0,4 до 0,7;

ц— коэффициент, зависящий от формы сечения русла, за

характеристику которого принимается параметр М, рав­ ный отношению действительной площади сечения к опи­ санному прямоугольнику той же ширины, но с глуби­

ной, равной наибольшей местной глубине действитель­ ного сечения;

/С — средняя крупность русловых наносов; V — средняя скорость течения в м/сек;

VH— непередвигающее значение скорости, порядок определе­ ния которой приведен в § 8.

Соотношение между параметром М и коэффициентом ц опре­ деляется следующими данными:

Ф — параметр, выражающий отношение скорости равномерного

падения русловых наносов средней крупности /С, которую они

имели, если бы силы сопротивления подчинялись. квадратич­

ному закону, к действительной гидравлической крупности этих же

частиц.

93

При температуре воды 15° значения параметра <р следующие:

в верхней части пыжа запанного рукава необходимо выяснить

характер ожидаемых деформаций, для чего может быть принят следующий порядок расчета:

по данным гидробатометрических наблюдений назначается расчетный уровень, при котором на рассматриваемом участке реки, где намечается створ запани, наблюдались максимальные расходы русловых наносов.

Гидравлическим расчетом по методу проф. Л. И. Пашевского «Лежневые запани» при приближенных расчетах или при более точных расчетах по методу С. Я. Мучника «Уточненные расчеты запаней» строятся кривые подпоры от пыжа в запанном рукаве; определяется режим вододеления между рукавами.

В результате этого расчета строятся кривые зависимости:

а) распределение расходов по рукавам в зависимости от отметки горизонта воды в начале разветвления ДЛ

<2В = /(ДЛ) или (^/(ДЛ),

где:

QB— расход воды в водосбросном рукаве;

Qi — расход воды в запанном рукаве;

б) кривые зависимости средней скорости и средней глубины в запанном рукаве от отметки горизонта воды в начале развет­ вления

УХ = /(ДЛ) и А1=/(ДЛ);

в) кривая зависимости длины пыжа от расхода в запанном рукаве

Ln = f(Q).

Для этого необходимо построить предварительно кривые под­ пора в запанном рукаве от пыжа в зависимости от задаваемых расходов Qi, определяющих расчетные значения средней ско­

рости Vi и средней глубины hi.

Кривые подпора от пыжа строятся обычным способом с той лишь разницей, что длина пыжа Ln, соответствующая данному расходу Qi, находится путем подбора.

Крайняя точка каждой кривой при принятой длине пыжа

должна совпадать со значением АЛ, соответствующим заданному расходу Qi.

Если такого совпадения не получается, то необходимо изменить задаваемую длину пыжа Ln и повторить расчет.

Таким образом, в результате построения кривой подпора при

заданном значении Qi получается значение ДЛ, отвечающее опре­ деленному значению длины пыжа Ln.

94

Заметим, что при расчете расход воды до разветвления прини­ мается во всех случаях одинаковым, соответствующим принятому расчетному уровню.

Определяется транспортирующая способность потока G в за­ панном рукаве при различных значениях расхода в запанном рукаве Qi. Строится кривая зависимости расхода русловых нано­ сов от коэффициента вододеления п

G = где п =

где:

Qi — значение расходов воды в запанном рукаве;

Q — расход воды до разветвления при расчетном уровне. Пользуясь графиками, приведенными на рис. 20 для четырех­

пяти значений п, при заданном значении коэффициента перекры­ тия русла Р, определяют соответствующее значение коэффи­

циента отвода русловых наносов /( в запанный рукав.

Умножая фактически наблюденный расход русловых наносов на 1 пог. м при расчетном уровне (до разветвления) Go на коэф­ фициент отвода наносов К, определяется фактический расход

в запанном рукаве равна фактическому расходу русловых

наносов.

Выше точки пересечения кривых мы будем иметь режим,

характеризующийся размывом дна запанного рукава.

Наоборот, ниже точки пересечения кривых, очевидно, русло­ вые деформации будут характеризоваться аккумуляцией наносов.

Зная значения коэффициента вододеления п, соответствую­ щего этим режимам, мы можем найти соответствующие значения расхода воды запанного рукава из выражения:

Qj = nQ.

Пользуясь графиком зависимости длины пыжа от расхода в запанном рукаве Ln= f (Qi), можно установить ту длину пыжа,

которая будет соответствовать той или иной деформации.

95

Поскольку нас в первую очередь интересует такой режим, при котором будет обеспечиваться стабильность дна или деформации размыва, то в первую очередь и определяется длина пыжа, соот­ ветствующая этим режимам.

Если установленная таким образом длина пыжа Ln и соответ­ ствующий этой длине объем молехранилища удовлетворяют поставленным условиям хранения древесины, то в этом случае не требуется предусматривать специального регулирования узла разветвления.

Следует лишь установить такой порядок поступления и вы­ пуска молевой древесины из запани, при котором длина пыжа не оказалась бы больше установленного значения.

Однако выясненная картина характера русловых деформаций

справедлива лишь для одного расчетного горизонта. Другим гори­ зонтам вследствие изменения G и бфак будет соответствовать и другая картина русловых деформаций.

Для получения исчерпывающей картины характера русловых

деформаций необходимо аналогичный расчет произвести для дру­ гих характерных уровней, относящихся, например, к середине и

концу периода поступления древесины в запань. Приведем пример расчета.

В качестве исходных данных для сокращения расчетных

выкладок, не связанных непосредственно с примером, примем известными: распределение расходов по рукавам при наличии пыжа в запани и различной его длине, средний уклон, соеднюю глубину и скорость течения в запанном рукаве. Порядок опреде­ ления этих данных подробно изложен С. Я. Мучником [21]. Эти

при расчетном горизонте воды равен 2 кг/сек на 1 пог. м ширины русла.

Грунты, слагающие ложе русла, представлены фракциями: раз­ мер зерен 0,05 мм — 23%', 0,01 мм — 62%, меньше 0,003 мм —

15%;

Коэффициент перекрытия русла Р — 0,5.

96

Прежде всего определяется транспортирующая способности

потока в запанном рукаве по формуле 49, для чего вычисляется

расчетная величина непередвигающей скорости VH по формулам и в порядке, изложенном в § 8.

Опуская промежуточные вычисления, в табл. 12 приведены лишь конечные значения VH для различных значений расхода в запанном рукаве и вычисление транспортирующей способности потока.

Таблица 12

денный расход русловых наносов на 1 пог. м при расчетном уровне до разветвления на коэффициент отвода /(, определяем фактиче­ ский расход русловых наносов в запанном рукаве на 1 пог. м ши­

По данным табл. 13 строятся графики (рис. 23)

О=/(/г) и Сфак =/,(«).

'Точка пересечения кривых указывает на значение п = 53°/о', при которой транспортирующая способность потока запанного рукава равна фактическому расходу русловых наносов. При этом расход в запанном рукаве составляет Qi = 597 м3/сек.

Пользуясь графиком рис. 22, по кривой Ln —f (Qt) опреде­ ляем длину пыжа Ln = 500 м, но и при меньшем значении пыжа обеспечивается транспорт русловых наносов в запанном рукаве

при расчетном уровне.

98

Таким образом, если ограничить в примере длину пыжа за­ пани этим значением, можно и не прибегать к специальному регу­ лированию узла разветвления.

Однако в большинстве случаев в сплавной практике, как пра­ вило, стремятся к использованию возможно большей длины запан­

ного рукава для увеличения объема молехранилища.

Рис. 23. Кривая расхода русловых наносов

Вэтом случае условия благоприятных русловых деформаций

взапанном рукаве не могут быть обеспечены или обеспечиваются частично и поэтому неизбежно встает вопрос регулирования узла разветвления с целью максимального уменьшения поступления русловых наносов в запанный рукав.

Для определения наиболее эффективных схем регулирования

для такого случая автором установлен возможный состав техни­

ческих мероприятий в нескольких вариантах на основании спе­

циально проведенных лабораторных исследований в 1956—1957 гг.

в полевой лаборатории ЦНИИ лесосплава на схематизированной

модели с размываемым дном.

Установив возможный состав технических мероприятий и используя анализы лабораторных исследований узлов разветвле­ ний, проведенных за последние 5 лет ЦНИИ лесосплава, можно рекомендовать впредь до накопления опыта регулирования таких

узлов следующие схемы регулирования.

1. Продольным сквозным сооружением с поверхностными струенаправляющими щитами, устанавливаемыми выше узла разветвления под углом к течению не более 15—20° в комбинации

с донными наносоуправляющими сооружениями, как показано

на рис. 24, а.