Транспорт наносов водными потоками на урбанизированных территориях в зимний период (стр. 2 )

Для расчета распределения концентрации взвешенных наносов по глубине потока обычно применяются некоторые соотношения, которые были получены из экспериментов, а так же вводятся дополнительные осреднения, для замыкания полной системы уравнений типа уравнений .

В последнее время было сделано обобщение практически всех зарубежных исследований транспорта наносов, включая грядовый режим движения наносов. Показано, что предпочтение отдается формулам для расчета общего расхода наносов, в которых наличие грядового режима учитывается коэффициентами сопротивления, вызванными существованием гряд.

В настоящее время существует большое количество различных формул для определения расхода наносов. Все формулы можно раз­бить на две группы: теоретические и полуэмпирические. Теорети­ческие формулы получены либо из учета влекущей силы (касательное напряжение на дне), либо на основе использования статисти­ческой теорий движения наносов.

Несмотря на различные предпосылки и способы получения все формулы, как теоретические, так и эмпирические в явной или не­явной форме дают зависимость расхода наносов от средней или динамической скорости потока в различных степенях.

, (3)

где: показатель степени меняется от 3 до 6.

Это, например, формулы Мейера-Петера, , для донных наносов, А. А Калинске и наиболее применяемая за рубежом формула .

В последнее время идеи взаимодействия между многочисленными взаимосвязанными факторами, определяющими транспорт наносов были развиты в работах Энгелунда и Хансена, Экерса и Вайта, Ван Рейна и Молинаса.

Во второй главе описываются натурные исследования открытых и покрытых льдом потоков.

В качестве первого объекта исследований был выбран 3-х километровый участок нижнего бьефа Чикинского гидроузла на реке Оредеж в Ленинградской области.

С целью получения натурных данных, описывающих динамику течений и позволяющих рассчитывать транспорт наносов на городских реках в январе-феврале 2005 г., на полигоне в нижнем бьефе Чикинского гидроузла проводились измерения скоростей течения, уровня водной поверхности, структуры, состава и динамики ледового покрова при различных попусках в нижний бьеф гидроузла. Измерения осуществлялись с использованием как стандартных, так и оригинальных гидрометрических приборов и методик.

Полученные данные измерений позволили определить время добегания волны попуска до первого створа (35 мин), изменение скоростей и колебания уровней воды. Увеличение скоростей течения произошло через 40 мин после начала попуска из водохранилища. Максимального значения – 0,4 м/с скорость течения достигла через ~3,5 ч, после чего началось ее постепенное уменьшение.

Измерения скоростей течения и уровней водной поверхности позволили рассчитать коэффициенты вертикального обмена.

Значения коэффициентов обмена в исследуемый период были порядка 10-2 м²/с и возрастали в период подъема уровней воды, но интенсивно уменьшались даже во время незначительного спада уровней воды с периодом в 300 с. Отсюда следует важный вывод: при реализации расчетов по математической модели распространения примесей в водном потоке покрытом льдом или перед кромкой ледяного покрова следует рассматривать изменение коэффициента обмена во времени при подъеме и спаде уровней воды с различной дискретностью счета по пространственным координатам и по времени. В одном из рассмотренных случаях уменьшение уровня водной поверхности на 0,05 м привело к уменьшению коэффициента обмена вдвое, а повышение на ту же величину за тот же период дало незначительное увеличение коэффициента обмена.

Значения величины , характеризующей степень нестационарности потока, в условиях проведения натурных исследований показали, что все они превышают величину 104. Это свидетельствует о том, что расчет транспорта наносов следует вести с учетом нестационарности течения, т. е. по крайней мере на каждом шаге счета вводить определенную для данных условий критическую скорость потока, отвечающую началу перемещения частиц донного материала. Кроме того, при нестационарном режиме течений происходит существенное изменение параметров грядовой структуры русла, что приводит к изменению гидравлического сопротивления потока.

В качестве второго объекта исследований был выбран участок реки Истра в нижнем бьефе Истринского гидроузла.

Основной целью исследования было получение натурных данных динамики уровней водной поверхности, скоростей течения и транспорта взвешенных и донных наносов в различные периоды попусков, в нижний бьеф Истринского гидроузла, включая зимний период, т. е. при наличии ледяного покрова.

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 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.