Гидравлически допустимые судоходные глубины на реках
При проектировании работ по увеличению гарантированной глубины на судоходном плесе реки необходимо предвидеть, что по мере роста глубин на перекатах могут возникать и прогрессировать местные понижения отметок свободной поверхности. По длине реки снизу вверх снижение уровней воды будет нарастать и приведет к неблагоприятным экологическим последствиям. При перспективном планировании габаритов пути на свободных реках такие изменения должны учитываться. Поэтому в проблеме улучшения судоходных условий важное место занимает вопрос определения максимально возможной судоходной глубины, предельной по гидравлическим условиям потока.
Развитие теории руслового процесса и актуальность вопросов охраны окружающей среды обусловили необходимость создания качественно нового метода расчета предельных судоходных глубин. Основные положения этого метода, разработанного К.В. Гришаниным, заключаются в следующем.
1. В результате анализа факторов, ограничивающих возможный рост судоходных глубин на плесе, устанавливается, что неблагоприятные экологические последствия дноуглубления обусловлены, в основном, снижением уровней воды. Поэтому в качестве исходного условия при достижении предельных глубин принято требование сохранить в пределах точности измерений существующие проектные уровни воды на судоходном плесе.
2. Наибольшие судоходные глубины, обеспечение которых на плесе возможно без заметного снижения отметок свободной поверхности при проектном уровне воды, называются гидравлически допустимыми. Максимальная величина снижения уровней воды на опорном гидрологическом посту ограничивается точностью существующих способов промеров глубин и принимается равной 0.1 м.
|
|
|
3. Устойчивость русла при дноуглублении и способность перекатов к саморазмыву оценивается с использованием параметра К.В. Гришанина M= H( gB)1/4/ Q1/2. По данным натурных наблюдений значения этого параметра на перекатах рек с песчаным дном составляют в межень от 0.75 до 0.40. Причем, большее значение параметра M относится к сравнительно устойчивым или слабодеформируемым руслам, а меньшее – к сильнодеформируемым.
4. Принимаются во внимание различия законов гидравлического сопротивления в недеформируемых и деформируемых руслах. Для первых используется формула Шези-Маннинга с коэффициентом Шези, определяемым относительной зернистой шероховатостью русла (отношением d/ H). Для вторых – коэффициент Шези считается функцией скорости течения.
5. В случае, если возникает потребность увеличения глубин больше гидравлически допустимых, необходима постановка специальных изысканий и исследований и составление проекта работ с экономической и природоохранной оценками последствий такого увеличения.
|
|
|
На основе указанных положений была разработана методика расчета гидравлически допустимых судоходных глубин на реках [Руководство…, 1992]. При этом вычисления выполняются в два этапа. На первом этапе расчет ведется с помощью осредненных характеристик потока и русла, а на втором этапе производится уточнение полученных результатов в ходе построения кривых свободной поверхности на судоходном плесе.
Основы метода определения гидравлически допустимой судоходной глубины на плесе (1 этап расчета).
Проблемы учета особенностей морфологии русла и гидравлико-морфометрических изменений, происходящих на судоходном плесе по мере его транспортного освоения, затрагивались в ходе проведения анализа влияния дноуглубительных работ на положение уровней воды. При этом было показано, что с ростом судоходных глубин на плесе увеличивается количество и длина разрабатываемых прорезей и уменьшается компенсирующая роль плесовых лощин. Эти изменения определяются спецификой морфологии русла рассматриваемого участка реки и требуют специального учета в каждом конкретном случае.
|
|
|
Помимо этих изменений, на судоходном плесе с ростом гарантированной глубины изменяются морфометрические характеристики перекатных сечений и происходит увеличение средней глубины. Поэтому, при установлении значений гидравлически допустимой глубины на плесе необходимо решить еще две задачи:
- разработать расчетную схему поперечного сечения на перекатах для проектного состояния плеса;
- исследовать характер связи гарантированной глубины со средней глубиной на плесе Tср.j= f( Tг.j), где индекс j соответствует выбранному варианту проектного состояния плеса и отражает степень его судоходного освоения.
Для разработки расчетной схемы поперечного сечения в проектном состоянии необходимо:
-
- оценить роль отвалов грунта;
- выбрать параметр, определяющий степень возможного увеличения глубин на перекатах судоходного плеса;
- установить взаимную связь между степенью возможного увеличения судоходных глубин на перекатах плеса и степенью допустимого изменения определяющего параметра.
Результаты статистической обработки перекатных сечений на свободных реках показывают, что форма осредненных поперечных сечений на перекатах вполне удовлетворительно описывается уравнением параболы
2-4 степени. Это позволяет принять расчетное перекатное сечение параболическим с размерами, соответственно, (Вср.б, Тср.б.) в бытовом состоянии и (Вср.j, Тср.j.) в проектном состоянии русла.
|
|
|
Установив вид поперечного сечения на перекатах, необходимо решить вопрос о влиянии отвалов грунта на изменение морфометрии живого сечения, то есть исследовать характер зависимости
. (4.15)
Анализ натурных данных показывает, что после разработки дноуглубительной прорези на перекате обычно происходит некоторое увеличение площади живого сечения за счет обсыхания части отвала грунта к моменту наступления проектных уровней воды и уноса грунта из отвала при рефулировании. При этом часть отвала грунта оказывается расположенной ниже проектного уровня воды, что приводит к уменьшению ширины перекатных сечений. Из-за разнообразия перекатов в естественных руслах и различных сроков проведения на них дноуглубительных работ, указанные изменения параметров русла различны в каждом конкретном случае. Универсальное решение задачи может быть получено с учетом следующих соображений.
Анализ распределения объемов дноуглубительных работ в течение навигации показал, что на целом ряде судоходных плесов оно может быть принято равномерным в течение навигационного периода. Это позволяет ввести понятие среднего уровня производства дноуглубительных работ на судоходном плесе, при котором условно разрабатываются все перекаты.
Расчетная схема живого сечения на перекатах для бытового и проектного состояний русла, построенная на основе принятых допущений
(см. рис. 4.4), предполагает, что после выполнения дноуглубительных работ на перекатах происходит оползание боковых откосов прорези, которое стабилизируется при установлении параболической формы перекатного сечения в проектном состоянии. В этом случае зависимость (4.15) может быть раскрыта аналитическим путем.
Рис. 4.4. Расчетная схема поперечного сечения русла на перекатах
Считая поперечные сечения параболическими можно записать
. (4.16)
где: m = 4 – показатель степени в уравнении параболы.
Решение системы этих уравнений приводит к установлению расчетной зависимости в виде
, (4.17)
где: ky – коэффициент уноса грунта из отвала при рефулировании в воду.
. (4.18)
По данным формулам (4.17-4.19) подбором может быть определена степень возможного увеличения глубин на перекатах в зависимости от степени допустимого увеличения площадей перекатных сечений. При этом, помимо морфометрических характеристик перекатов должно быть известно превышение расчетного уровня производства дноуглубительных работ D Z над проектным уровнем воды и значение коэффициента уноса грунта ky. За величину расчетного уровня Zр можно принять значение среднемноголетнего навигационного уровня воды на опорном гидрологическом посту. В том случае, если дноуглубительные работы на транзите выполняются только в подготовительный период, за величину Zр принимается средний уровень воды за этот период.
Сложнее обстоит дело с определением коэффициента уноса грунта ky при рефулировании его в отвал. В реальных условиях его величина сильно варьирует. Для приближенной оценки уноса грунта рекомендуется воспользоваться данными НИИВТа [Руководство…, 1971].
Учитывая ориентировочный характер этих вычислений, ниже приводится частное решение уравнений (4.17-4.19). При этом область изменения переменных, входящих в эти уравнения, можно ограничить реальными пределами, которые отвечают состоянию обычных равнинных рек и соответствуют физическому смыслу решаемой задачи
, 
, 
.. (4.20)
Решение, действительное для указанного диапазона изменения переменных (4.20), имеет вид
, (4.21)
где: k1 и k2 – коэффициенты регрессии, которые соответственно равны 3.465 и 1.576.
В качестве параметра, определяющего степень возможного увеличения глубин на перекатах, предлагается отношение соответствующих значений числа Фруда в бытовом и проектном состояниях русла. Это предложение сформулировано на основе установленной в работе [Гладков, 1984] однозначной обратной связи между величиной числа Фруда и параметром М (К.В. Гришанина). Поэтому далее, в качестве критерия, ограничивающего допустимую степень судоходного освоения плеса, будет использоваться предельная степень возможного уменьшения числа Фруда на перекатах, отвечающая значению Mпред.
С учетом этих соображений расчетное выражение записывается в виде
, (0.0)
где: Fr = 
С получением этой зависимости, устанавливающей связь между степенью возможного увеличения глубин и степенью допустимого уменьшения числа Фруда на перекатах, завершается этап исследований, посвященный разработке расчетной схемы перекатного сечения и созданию способа учета изменений морфометрических характеристик русла в зоне влияния дноуглубительных работ.
Зная максимально возможное снижение отметок свободной поверхности в верхнем конце судоходного плеса (например, d Z¥=0.1 м), и, найдя отсюда допустимое уменьшение значений числа Фруда, по формуле (4.22) можно вычислить гидравлически допустимую глубину на перекатах. Для принятия окончательного решения о гидравлически допустимой гарантированной глубине на плесе необходимо установить связь между средними глубинами на перекатах и гарантированными глубинами.
С увеличением гарантированной глубины на плесе возрастает количество разрабатываемых перекатов и увеличивается средняя глубина Tср.j. При этом, по мере транспортного освоения судоходного плеса, отношение гарантированной глубины к средней глубине на перекатах также увеличивается, то есть существует связь Tср.j= f( Tг.j ).
Для установления характера этой зависимости необходимо выполнить обработку характерных глубин на продольном профиле реки. Для этого, на судоходном плесе назначается ряд значений гарантированной глубины Tг.j в диапазоне изменения от бытовой гарантированной глубины Tг.б до максимальной глубины на перевалах плеса с шагом 0.1-0.2 м. Далее, по продольному профилю для каждого из выбранных значений гарантированной глубины Tг. j определяются величины средних на плесе глубин на перекатах Tср. j. В каждом цикле расчетов, значения глубин на перекатах, меньшие назначаемой на плесе гарантированной глубины Tг.j, принимаются равными ее величине, что условно соответствует разработке перекатов на заданную гарантированную глубину. По этим данным строится график зависимости относительных гарантированных глубин в функции относительных средних глубин на перекатах. Такой график отражает не только особенности морфологии естественного русла, но и степень его судоходного освоения. По нему можно определить значение гидравлически допустимой судоходной глубины на плесе по известной величине гидравлически допустимой глубины на перекатах.
Более подробно последовательность выполнения расчетов излагается в составе “Руководства по улучшению судоходных условий на свободных реках...”, [1992], где приведены необходимые номограммы для упрощения вычислений и примеры расчетов.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1072; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!