Влияние дноуглубительных работ на положение уровней воды на судоходном плесе.
Чередование перекатов и плесовых лощин по длине реки является благоприятным фактором с точки зрения возможного увеличения глубин на судоходном плесе. Имеющиеся данные показывают, что плесовые лощины равнинных рек обеспечивают достаточно интенсивное выклинивание кривых спада, создаваемых понижением уровня воды на перекатах.
При решении этой задачи в целом для судоходного плеса необходимо учитывать сложную геометрию естественных русел, морфология которых чрезвычайно разнообразна. Наличие случайных факторов в образовании и развитии речных русел является причиной того, что их морфологические характеристики сильно варьируют даже в пределах однородных участков одной и той же реки.
С увеличением судоходных глубин на плесе изменяются морфометрические характеристики русла. При этом возрастают длины и количество разрабатываемых прорезей, и вместе с ними убывают эффективные длины плесовых лощин. Следовательно, параметр Kс (формула 4.12), характеризующий компенсирующую роль плесовых лощин, изменяется в зависимости от степени судоходного освоения плеса. Поэтому оценка влияния дноуглубительных работ на положение свободной поверхности воды в целом для судоходного плеса является сложной и многофакторной задачей, решаемой путем последовательных приближений.
На первом этапе можно прибегнуть к некоторой схематизации реальной картины, имеющей место на плесе при проектном уровне воды. Для этого необходима такая схематизированная модель судоходного плеса, которая с одной стороны должна учитывать размеры и формы крупных русловых образований рассматриваемого плеса, с другой – быть пригодной для рек различного порядка и типа руслового процесса.
|
|
|
Вычисления проводятся с использованием гидравлических и морфометрических характеристик, осредненных в пределах однорукавного русла.
При создании приближенной модели судоходного плеса в основу положен предложенный К.В. Гришаниным способ схематизации речного русла, в соответствии с которым, после выполнения соответствующей обработки естественное русло приводится к фиктивному руслу. При этом продольные размеры перекатов и плесовых лощин принимаются равными их средним значениям Lср.б и lср.б; глубины в плесовых лощинах и на перекатах назначаются соответственно равными h0 и Tср.б; фиктивное поперечное сечение в плесовых лощинах принимается цилиндрическим с нормальной глубиной h0; осредненное поперечное сечение на перекатах описывается параболой.
Предлагаемая расчетная схема позволяет преобразовать сложную геометрию естественного русла к достаточно простой одномерной модели. На ее основе можно выполнить анализ влияния дноуглубительных работ на положение отметок свободной поверхности в целом на судоходном плесе и определить допустимое снижение уровней воды на перекатах ( d Zпред). Затем, с использованием приведенных выше зависимостей (4.1) или (4.2) между уклонами и глубинами на перекатах, можно найти возможное увеличение глубин на судоходном плесе.
|
|
|
Допустим, что к моменту наступления проектного уровня на судоходном плесе разработаны все перекаты. Ввиду того, что морфологические характеристики перекатов в результате осреднения приняты одинаковыми, на каждом из них произойдет снижение уровня на одну и ту же величину d Z. Вследствие равенства параметров движения воды в плесовых лощинах, их компенсирующая роль будет оцениваться постоянным для всего плеса значением коэффициента Kс.
Весь ход построения проиллюстрирован на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема расчета понижения уровней воды
на судоходном плесе
В результате выполнения дноуглубительных работ на напорном скате первого разрабатываемого на плесе перекате (сечение 2) произойдет снижение уровня на величину d Z. За счет компенсации в первой плесовой лощине, величина снижения уровня воды на тыловом скате второго по счету переката (сечение 3) составит Kc· d Z. На напорном скате этого переката (сечение 4) уровень снизится уже на величину (1 + Kc)· dZ.
|
|
|
При числе перекатов, стремящихся к бесконечности, максимальное снижение уровня воды на напорном скате переката, расположенного в верхнем конце судоходного плеса, составит
. (4.13)
4.1.4. Расчет отметок свободной поверхности
и распределения расхода воды по рукавам
В общем объеме путевых работ значительное место занимают работы по улучшению судоходных условий на разветвленных участках рек. По данным Ф.М. Чернышова [1973] более половины всех затруднительных участков являются многорукавными. Русловые разветвления часто встречаются на участках рек с незавершенным меандрированием, пойменной и русловой многорукавностью.
Эксперименты А.Я. Миловича [1947], А.С. Офицерова [1952],
А.И. Лосиевского [1956], А.С. Образовского [1962], И.Ф. Карасева [1975], натурные исследования Н.И. Маккавеева [1955], Б.Ф. Снищенко [1968], К.Н. Варламова [1979], а также результаты современных исследований Н.И. Алексеевского, С.Р. Чалова [2009] и других авторов в целом раскрывают физическую картину движения потока на разветвлении русла. Однако проблема улучшения судоходных условий на русловых разветвлениях является в настоящее время наименее изученной.
|
|
|
Это обусловлено, прежде всего, тем, что гидравлика потока на разветвлениях чрезвычайно сложна. Русловые разветвления по своему месту в системе сопротивлений речного русла занимают промежуточное положение между плесовыми лощинами и перекатами. Так же как и перекаты, они в меженный период подпирают вышерасположенный участок, а сами характеризуются значительными уклонами свободной поверхности. При этом русловые переформирования на разветвлениях имеют явно выраженный цикличный характер, когда в силу тех или иных причин отдельные рукава проходят различные стадии своего развития, во время которого в них могут проявиться разные типы руслового процесса.
Обычно разработка дноуглубительной прорези в развивающемся рукаве приводит к улучшению судоходных условий на разветвленном участке реки. Однако при этом на участке разветвления нарушается естественный ход развития руслового процесса. Инженерные мероприятия, выполненные в одном из рукавов, изменяют кинематику потока и характеристики транспорта наносов на улучшаемом участке. Исследование влияния дноуглубительных работ на гидравлику разветвленного участка реки показывает, что характер этих изменений на разветвлении проявляется более сложным образом в отличие от однорукавного русла. Если эти изменения будут значительными, они могут привести к неблагоприятным экологическим последствиям на протяженном участке реки.
Для оценки влияния инженерных мероприятий на гидравлику разветвленного участка реки необходимо иметь сведения о распределении расхода воды по рукавам в бытовом и проектном состояниях русла, а также следует рассчитать влияние дноуглубительных работ на положение уровней воды на затруднительном участке реки.
В большинстве практических случаев, исключая спрямление речных извилин, в расчетах пренебрегают ролью местных сопротивлений в узлах разделения и слияния потоков и пользуются сокращенной (без инерционных членов) формулой уравнения движения
, (4.14)
где: Kcр = ( Ki+ Ki+1)/2 – среднее значение модуля расхода (где i – порядковый номер граничного сечения, считая сверху вниз по течению реки).
В зависимости от состава исходных данных можно выделить три основных случая расчета:
- наполнение русла известно;
- наполнение русла неизвестно;
- отсутствуют сведения о гидравлических сопротивлениях (коэффициентах шероховатости) в рукавах.
В первом случае обычно задан план русла в изобатах и превышение расчетного уровня воды над проектным. Чаще всего это превышение принимается одним и тем же для всего участка реки. Кроме этого, известны коэффициенты гидравлического сопротивления русла в рукавах при расчетном уровне воды. К этому случаю относятся также расчеты проектного состояния русла, если влияние проектируемых мероприятий на уровенный режим несущественно и его можно не учитывать.
Во втором случае расчетов наполнение русла неизвестно, а также неизвестны сопротивления в рукавах при искомом распределении расходов воды. Такие задачи возникают на разветвлениях речных русел, когда влияние проектируемых мероприятий на гидравлику потока на разветвлении является существенным и снижением уровней воды в расчетах уже нельзя пренебрегать. Для выполнения вычислений в этом случае должно быть известно наполнение русла и гидравлические сопротивления в рукавах при трех других, отличных от расчетного, уровнях воды.
В третьем случае, в отличие от первых двух, исходная информация по затруднительному участку не содержит сведений о бытовых уклонах свободной поверхности и гидравлических сопротивлениях русла в рукавах. Поэтому расчеты распределения расхода воды по рукавам в этом случае приобретают ориентировочный характер и являются приближенными.
В зависимости от морфологии разветвленного участка реки различают двухузловые и многоузловые разветвления.
При известном наполнении русла расчет двухузлового разветвления, независимо от числа рукавов, выполняется за один прием. Во всех остальных случаях, то есть для двухузлового разветвления при неизвестном наполнении русла и для многоузлового разветвления, расчет распределения расхода по рукавам ведется методом последовательных приближений.
При этом задача о распределении расходов воды по рукавам решается совместно с определением отметок свободной поверхности в узлах разветвления.
Методика выполнения расчетов для первых двух случаев изложена в работе К.В. Гришанина [1972]. Попытки усовершенствования этих методов предпринимались в работах Ф.М. Чернышова [1973], В.В. Иванова [1976, 1986] и других авторов.
В том случае, когда отсутствуют сведения об уклонах свободной поверхности и расходах воды в рукавах в бытовом состоянии русла, значения гидравлических сопротивлений, а, следовательно, и модули сопротивлений рукавов неизвестны. Поэтому при выполнении расчетов приходится задаваться значениями коэффициентов шероховатости по табличным данным, либо по одной из имеющихся формул коэффициента Шези. Учитывая известную неопределенность, возникающую при решении этой задачи, надежность получаемых результатов снижается, а сами расчеты приобретают ориентировочный характер. Применительно к этому случаю был разработан [Гладков, 1983] приближенный способ расчета средних уклонов и распределения расхода воды по рукавам, применимый как для бытового, так и для проектного состояний подвижного русла.
Приведенные результаты исследований позволяют оценить влияние дноуглубительной прорези на положение уровней воды в однорукавном русле и на русловых разветвлениях на момент завершения производства дноуглубительных работ, и установить на этой основе необходимые ограничения на рост судоходных глубин на плесе. Полученные данные показали, что в результате перераспределения расхода воды между рукавами и изменения гидравлического сопротивления рукавов эффект влияния дноуглубительной прорези на гидравлику потока в разветвленном русле проявляется слабее, чем в однорукавном русле.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 621; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!