WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В задачи исследований входило изучение характеристик течения и колебаний уровня водной поверхности в нижнем бьефе при различных объемах попусков из водохранилища, влияние водной растительности и подводных препятствий на динамику и структуру водного потока и формирование рельефа дна по мере ее развития. Исследовались также особенности динамики течений в районе мостового перехода и на участках, потенциально опасных с точки зрения возникновения ледовых заторов и зажоров.

По данным измерений были рассчитаны средние величины основных гидравлических характеристик потока при различных объемах попусков. По перепаду уровней водной поверхности между створами определялись гидравлические уклоны. Были получены зависимости подъема уровней воды, площадей живого сечения, изменения средних по живому сечению скоростей потока и уклонов водной поверхности от изменения расхода воды в русле.

Анализ изменений основных гидравлических характеристик руслового потока показал, что увеличение расхода воды приводит к увеличению площади живого сечения в значительно большей степени, чем средней по сечению скорости потока. Было выявлено уменьшение уклона водной поверхности с увеличением расхода воды, что не соответствует формуле Шези-Маннинга. Это указывает на то, что формула Шези-Маннинга применима исключительно к потоку в каналах с призматическим поперечным сечением.

Актуальным остается вопрос адекватного определения динамической скорости потока. Как показано выше, эта адекватность по данным натурных исследований состоит в привлечении к анализу распределения скоростей течения по вертикали. Из описания распределения скоростей течения по вертикали по логарифмической и степенной формуле следует:

(4)

При этом параметры распределения и можно определять по соотношениям, предложенными в работах В.К. Дебольского и др., которые подтверждены данными настоящих натурных исследований.

Значения динамических скоростей течения, вычисленных по уклону водной поверхности и определенных из анализа распределения скоростей течения по глубине потока, могут различаться более чем в два раза. Важно отметить, что в створе, где происходит сужение потока, по сравнению со створом расположенном на прямолинейном участке реки, это различие больше.

Таким образом, выполненные натурные исследования динамики течений в нижнем бьефе Истринского гидроузла подтвердили возможность параметризации распределения скоростей течения по живому сечению потока.

В третьей главе описываются экспериментальные исследования транспорта наносов, которые были проведены в русловом лотке циркуляционного типа гидравлической лаборатории кафедры «Гидравлики и гидротехнических сооружений» Российского университета дружбы народов в 2006-2007 годах.

Первая серия экспериментов представляла собой исследование трансформации характеристик потока при стеснении поперечного сечения (модель опоры моста) как в открытом, так и покрытом льдом потоке.

Вторая серия экспериментов представляла собой исследование трансформации характеристик потока при различных состояниях имитации ледяного покрова.

Во всех экспериментах в качестве подвижного дна использовался песок крупностью от 0,315 до 1 мм.

В качестве имитации ледового покрытия использовался пенопласт длиной, равной длине рабочего участка лотка – 2м, шириной равной ширине гидравлического лотка 0,24м и толщиной 0,05м.

Во всех экспериментах, при которых изучались характеристики подледного потока, имитация ледяного покрова на первом этапе находилась на водной поверхности без каких-либо нагрузок, на втором этапе производилась пригрузка таким образом, что нижняя ее часть оказывалась под водой на половину толщины, а на третьем этапе нагрузкой достигалось полное затапливание покрытия.

В экспериментах кроме этого исследовалось влияние на характеристики потока закрепленного покрытия, имитирующего случаи вмерзания льда в берега и покрытия льдом всего русла реки или канала.

а) б)

в)

Рис. 1. Распределение скоростей течения в подледном потоке при стеснении.

Покрытие (модель льда) а) не притоплено; б) притоплено наполовину; в) полностью притоплено (-- – закрепленный лед; -- – незакрепленный лед)

На рис. 1 а), б) и в) показаны распределения скоростей течения в подледном потоке с моделью опоры моста как при свободно плавающей модели льда, так и при закрепленной (лед не погружен, погружен наполовину, погружен полностью). В данной серии экспериментов покрытие (модель льда) либо было не закреплено по краям, либо – закреплено. Эксперименты проводились при глубине потока 15 см. и при постоянном расходе воды. Скорости течений измерялись в середине по длине рабочего участка и в середине по ширине потока, в данном случае по середине опоры моста.

Наблюдения показали, что при прочих равных условиях (расход, грансостав грунта), в отличие от открытого потока, в потоке с покрытием при его нагружении под кромкой покрытия происходил размыв дна. Интенсивность размыва зависела от степени нагрузки. Результаты эксперимента были использованы при тестировании математической модели деформации дна в нестационарном подледном потоке.

Как можно видеть из этих графиков распределение скоростей течения по глубине потока существенно изменяется в зависимости от погружения покрытия в поток и от условий связи покрытия с берегами. Эти результаты позволяют скорректировать предложенные ранее рекомендации по описанию распределения скоростей течения в подледном потоке. Это особенно важно для расчета транспорта наносов, поскольку перенос определяется коэффициентами обмена, которые в свою очередь определяются распределением скоростей течения.

В четвертой главе представлены модели, разработанные для расчета транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период.

Основная концепция моделей для расчета и прогнозирования транспорта наносов водными потоками на урбанизированных территориях заключается в следующем. На основе краткосрочных прогнозов метеорологической обстановки в регионе определяются осадки и температура воздуха. По этим данным рассчитывается сток воды и наносов с территории с помощью моделей, описывающих формирование стока. Эти модели [Л.С. Кучмент, В.Н. Демидов, Ю.Г. Мотовилов] включают в себя зависимости, по которым вычисляется слой стока воды и модель «кинематической волны». Далее используется модель, описывающая транспорт наносов, если ставится задача об определении динамики русла городской реки, или модель переноса наносов, если рассматривается транспортирующая способность потока в коллекторе водостока. В последнем случае в качестве начальных условий для наносов принимается количество песчано-гравийной смеси смываемой с городских дорожных покрытий.

Особенности транспорта наносов водными потоками в зимний период определяются прежде всего низкой температурой воды, наличием снежуры или ледовой шуги в потоке и возможностью формирования полунапорного или даже напорного потока в случае сформированного устойчивого ледяного покрова.

В связи с этим во-первых следует учитывать изменение коэффициента кинематической вязкости за счет низкой температуры воды по известному соотношению.

Вторая важная характеристика водного потока, транспортирующего наносы, это относительная плотность наносов.

Плотность воды незначительно изменяется с приближением температуры воды к 0°С. И это изменение существенно при поступлении в воду снега и формирования ледовой шуги.

Следующей важной особенностью транспорта наносов в зимний период является формирование полунапорного и напорного потоков.

Полунапорный водный поток формируется в условиях, когда устанавливается устойчивый ледяной покров возможно и небольшой толщины не скрепленный ни с берегами водотока, ни со стенками или опорами гидротехнических сооружений или мостов.

В этом случае существенно трансформируется распределение скоростей течения по глубине потока по сравнению с открытым потоком, определяемое формулами (5) или (6). В связи с этим изменяется и величина коэффициента вертикального обмена (турбулентной диффузии), которая и определяет перенос наносов водным потоком.

Распределение скоростей потока по его глубине при наличии плавающего ледяного покрова можно определять из следующих соотношений:

(от Z = 0 до Z = Zo), (5)

(от Z = Zo до Z = h), (6)

где: – средняя скорость потока; – вертикальные координаты; – ситовый размер частиц донных наносов; – глубина потока; – горизонт максимума скоростей течения.

Горизонт, где устанавливается максимум скорости течения, определяется из условия равенства максимальных значений скорости течения, рассчитанных по логарифмической или степенной формулам.

Напорный поток формируется когда имеет место существенное сцепление ледяного покрова с берегами водотока, со стенками гидротехнического сооружения или опорами моста.

В этом случае распределение скоростей течения по глубине потока можно рассчитывать по тем же формулам (1) и (2), но в формуле (2) границу скорости у ледового покрова следует принимать равной:

(7)

Рассмотренные закономерности формирования транспорта наносов водными потоками в зимний период предполагают разработку нескольких моделей транспорта наносов, каждая из которых отвечает определенному периоду поступления наносов в водоток.

В первый период, характеризующийся поступлением в водоток мелко дисперсной взвеси, которая транспортируется над не размываемым или слабо размываемым дном, перенос взвеси хорошо описывается упрощенным уравнение диффузии примеси, решение которого в одномерной постановке представляет собой распределение концентрации взвеси по глубине в виде:

,, (8)

где: – гидравлическая крупность частиц наносов; – коэффициент турбулентного обмена частиц наносов; – вертикальные координаты.

Адекватность этого соотношения натурным условиям было подтверждено данными натурных исследований, проведенных на р.Истре. Изменение коэффициента обмена в (8) по глубине можно аппроксимировать следующим приближением:

, (9)

где: – максимальное значение коэффициента турбулентного обмена частиц наносов; – глубина потока.

Здесь максимальное значение коэффициента обмена следует определять как раз из условия формирования собственно водного потока в зимних условиях (наличие снежуры и т.п.). Тем не менее по данным исследований на р.Оредеж для условий зимы вполне можно принять:

м/с (10)

Интегрирование (8) по глубине потока с учетом (10) приводит к выражению, позволяющему определить среднюю концентрацию взвеси:

(11)

Если рассматривается второй период, определяющийся поступлением в водоток наносов, состав которых соответствует перемещению их в придонной области, то придонную концентрацию взвеси можно определять по известному соотношению с подстановкой соответствующей толщины слоя переноса наносов, скорости переноса и гидравлической крупности наносов:

, где (12)

(13)

где: – параметр Кармана в логарифмическом законе распределения скоростей течения по глубине потока; и – плотность наносов и воды соответственно; и – донная и донная критическая скорости соответственно; – толщина слоя наносов.

На рис. 2 и 3 представлено обобщение различных экспериментальных данных по транспорту наносов [6], из которых оказалось возможным получить оценки коэффициента сплошности и толщины слоя транспорта наносов в долях размера частиц.

Рис. 2. Изменение коэффициента сплошности транспортируемых частиц в зависимости от относительной скорости потока

Рис. 3. Изменение толщины слоя транспорта наносов в долях размера их частиц в зависимости от относительной скорости потока

В отношении дефицитных форм объем транспортируемых ими наносов может быть определен с учетом зимних условий, т.е. в виде:

, (14)

, (15)

, (16)

где: – определяется по формуле (12); – коэффициент сплошности; – минимальный расход наносов; и – высота и скорость перемещения гряд и определяются по формулам для условий сплошности грядового движения наносов.

В третий период, в котором наносы в придонной области транспортируются сплошным слоем и толщина которого определяется количеством поступающих наносов, их составом и скоростью течения, начинают работать уравнения, предложенные К.И. Россинским и В.К. Дебольским, описывающие сальтирующее движение наносов с поправкой на зимние условия формирования водного потока:

, (17)

где:

, (18)

, (19)

где: – стандарт вертикальной составляющей пульсаций придонной скорости течения.

Определение количества транспортируемых водным потоком наносов, поступающих в коллекторы водостоков или в городские реки связано с установлением прежде всего объемов стока воды в различные подпериоды: осенне-зимний, зимний, весенне-зимний и весенний.

В осенне-зимний подпериод имеют место, как правило, осадки в виде дождя, дождя со снегом, снега, который довольно быстро стаивает. Сток воды поступает как в городские реки, так и в коллекторы.

Зимний подпериод характеризуется осадками в виде снега, который убирают только с проезжей части и тротуаров, а затем растапливают. Вода после механической чистки поступает в основном в коллекторы. Задернованная территория и территория, на которой расположены кустарники и деревья, остается почти везде покрытой снегом вплоть до таяния его в весенний подпериод.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»