Экспериментальное исследование транспорта донных наносов в каналах в условиях нестационарности потока насыщенными наносами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК. 532.59+532.543

С.С. Эшев

канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Эксплуатация гидротехнических сооружений

и насосных станций», Каршинский инженерно-экономический институт, Узбекистан

А.Н. Хазратов

ассистент,

кафедра «Эксплуатация гидротехнических сооружений и насосных станций», Каршинский инженерно-экономический институт, Узбекистан

И.Х. Гайимназаров

ассистент,

кафедра «Эксплуатация гидротехнических сооружений и насосных станций», Каршинский инженерно-экономический институт, Узбекистан

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСПОРТА ДОННЫХ НАНОСОВ В КАНАЛАХ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ПОТОКА НАСЫЩЕННЫМИ НАНОСАМИ

Аннотация. Предлагается методика расчета транспорта донных наносов при наложении волн на течение для условий потока насыщенными наносами на базе лабораторных исследований и анализа современных представлений о транспортирующей способности русловых и волновых потоков в больших земляных каналах.

Ключевые слова: волновой поток, транспорт наносов волнами и течениями, нестационарность водного потока, поток насыщенный наносами, рифел.

S.S. Eshev, Karshi engineering-economics institute, Uzbekistan

A.N. Xazratov, Karshi engineering-economics institute, Uzbekistan

I.X. Gayimnazarov, Karshi engineering-economics institute, Uzbekistan

EXPERIMENTAL RESEARCH ON BED LOAD TRANSPORT OF CHANNELS FOR UNSTEADY

CONDITIONS OF FLOWS SATURATED WITH SEDIMENTS

Abstract. A method for calculating bed load transport when applied to the waves for a saturated sediment flow conditions based on laboratory studies and analysis of contemporary concepts of transport capacity of channel and wave flows in large earthen channels.

Keywords: wave flow, sediment transport by waves and currents, the intermittence of water streams, saturated sediments, ripples.

Для большинства оросительных систем Кашкадарьинской области водозабор производится из р. Амударьи, транспортирующей значительное количество взвешенных и донных наносов, которые, осаждаясь в оросительных каналах, снижают их пропускную способность, а увеличение размывающей способности потока приводит к размыву русла. При очистке оросительных каналов возникает проблема утилизации и размещения выбираемого грунта.

Как показывают проведенные в последние годы исследования [2, 7] для крупных каналов с прямолинейными участками длиной несколько километров и шириной несколько десятков метров возможны формирования ветровых волн. Эти волны, распространяясь на попутном или встречном течении, могут оказывать существенное влияние на общий размыв русла, транспорт русловых наносов и перестройку грядового рельефа дна. В связи с этим прогноз транспорта наносов в комбинированных сложных потоках приобретает решающее значение для современного проектирования каналов и проведения выправительных работ в их руслах.

По вопросу совместного транспорта наносов волнами и течением имеются только от-

дельные публикации [8, 9], в которых анализируется перенос твердого материала в условиях насыщения потока наносами. Для условий осветленного потока, насколько известно авторам настоящей статьи, отсутствуют расчетные методики, несмотря на то, что этот вопрос имеет большое значение при анализе эрозионной способности осветленных потоков при наложении на него ветрового волнения.

В настоящей статье предпринята попытка разработки метода расчета транспорта донных наносов при наложении волн на течение для условий насыщенного наносами потока на базе лабораторных исследований и анализа современных представлений о транспортирующей способности русловых и волновых потоков в больших земляных каналах.

В качестве исходной при анализе транспорта донных наносов в волновом потоке используется расчетная методика [10], в соответствии с которой удельный расход донных наносов (qs) в однонаправленном русловом потоке можно представить в виде:

д5 = 0,053^^1)

^ Г и2 л

о2

(1)

где dcp - средний диаметр донных наносов; и,0,и,кр - соответственно динамические скорости

руслового потока и начала движения донных наносов; д - ускорение свободного падения; S -относительная плотность донного грунта;

О. = d,.,

д ^ -1)

(2)

где у - коэффициент кинематической молекулярной вязкости.

Для расчета транспорта донных наносов при наложении волн на течение зависимость (1) была приведена к виду:

qs = aPs^l]gdcp ^ - 1) Оу

00

и2 и2

ц*0 . " *еку

2 + и:2

и

(3)

где и*кр - критическая скорость начала движения донных наносов в русловом потоке, определяемая по кривой Шильдса, которая аппроксимируется зависимостями:

и*кр = gdCp ^ - ,

вкр = 0,24 (О* )-1 0 = 0,14 (О* )-0,66 вкр = 0,040 (О* )-0,10 вкр = 0,013 (О* )0,29 0кР = 0,055

(4)

О* < 4 , 4 ^ О* < 10, 10 ^ О* < 20, 20 ^ О* < 150, О* ^ 150 ,

(5)

где а - некоторый эмпирический коэффициент; и*'кр - критическая динамическая скорость начала движения донных наносов в волновом потоке, которая определяется в соответствии с проведенными ранее исследователями [3]:

(6)

и*'кр = gdcP ^ -1)0;

О,< 2 2 ^ О, < 4 4 ^ О, < 10 10 ^ О < 20

в'кр = 0,08 (О.)"0,8 в'кр = 0,06 (О.)-04 в'кр = 0,041 (О,)-в'кр = 0,032 (О,)-'

2,1

2

V

2,1

0,017

20 ^ й < 150

в[р = 0,018 (0,)°

й у 150

в'кр = 0,0435.

и,еку - эквивалентная динамическая скорость, которую в общем виде будем считать формулой динамической скорости в волновом потоке. Последнюю, в соответствии с [4], можно представить в виде:

- Га*. т 1 КБ ^-0,154 200 ^ , Кг

- Га* т 1 Кб ч-0,222 25 ^ < 200 , Кг

)

(Кг I 0,325 2,5 ^ < 25 , Кг

- Га* т 1 Кг ^-0,489 0,4 ^ < 2,5, Кг

- Г а* т 1 Кг ^-0,635 ^ < 0,4 ; Кг

(7)

где КБ =А + 2,5Сср; Л - высота донных форм; ит = hbж/т■ sh(2ж^/1), гдеhb,т и 1 - соответственно, высота, период и длина волн; ^ - средняя глубина потока; а* = итт/2ж.

Для получения выражения и,ек¥ использовались экспериментальные данные [1] , полученные в волновом лотке с песчаным ложем ^ = 0,67 мм) при максимальных придонных скоростях, превышающих неразмывающие значения. Это обеспечило возникновение в «чисто» волновом потоке однонаправленного транспорта донных наносов, который осуществлялся в виде движения донных рифелей. В результате проведенного анализа получено выражение для эквивалентной динамической скорости:

и.2.

и..

: 0,068и,2

= 0,568и.2„ - и.';

при при

и,1 > 2и„

и4Р < 2ик .

(8)

Для «чисто» волного потока (Щ = 0) выражение (3) принимает вид эквивалентный

д. = а^дс/р (Б -1) -ф

(9)

а при отсутствии волн (и.р = 0) оно совпадает с выражением (1). Здесь следует отметить, что

для насыщенного наносами потока а = 0,053.

Таблица 1 - Сопоставление измеренных и вычисленных по формуле (3) значений удельных расходов донных наносов в смешанном потоке

р

р

р

т

р

р

2,1

2

и

и

Измеренные характеристики [2] Вычисленные ха рактеристики

h КР сс h в 1 Т q.s qs/ qso ит и2-, о и2-, о qs qs/ qso

м м/с мм см м с г/мс см/с см2/с 2 см2/с 2 г/мс

0,64 0,40 0,67 20 5,8 2,1 49 2,37 39,9 12,0 10,2 54 2,65

0,48 0,67 0,67 4 6,6 3,1 77 3,72 8,4 0,9 17,9 104 1,07

0,45 0,57 0,67 16 9,3 4,5 97 0,995 37,2 7,7 14,8 108 1,8

0,82 0,32 2,00 18 5,2 2,1 114 1,9 23,2 9,2 18,0 10 5,15

0,82 0,32 2,00 6 7,1 2,7 9,1 4,69 9,0 2,2 18,0 3,4 1,75

0,82 0,32 2,00 9 8,6 3,2 2,16 1,11 13,8 3,5 18,0 4,38 2,26

3,1-6,2 1,6-3,2

Проверка расчетной зависимости (3) для условий насыщенного наносами потока (a = 0,053) проводилась по экспериментальным данным [2] полученных в лабораторном лотке с песком средним диаметром 0,67 и 2 мм. Сопоставление измеренных и вычисленных по формуле (3) значений удельных расходов донных наносов в смешанном потоке приведено в таблице 1.

Из таблицы видно, что сопоставление измеренных и вычисленных по зависимости (3) значений показывают удовлетворительные результаты. Анализ расчетов по зависимости (3) показывает, что наложение волн на течение приводит к увеличению расхода наносов.

Таким образом, предлагаемая зависимость (3) качественно соответствует фактическим данным и ее можно применить в исследованиях и при проектировании больших земляных каналов работающих в условиях смешанного потока.

Список литературы:

1. Виноградова В.И., Масс Е.И., Салухвадзе Н.И. Транспорт наносов волнами // Труды ЗакНИИГМИ. 1970. Вып. 37 (43). С. 17-28.

2. Масс Е.И., Кантаржи И.Г., Костин В.О., Хайдар А.Х. Транспорт наносов волнами и течением в условиях больших каналов // Водные ресурсы. 1987. № 2. С. 52-58.

3. Михинов А.Е., Эшев С.С. Неразмывающие условия в волновом потоке для несвязных грунтов. М., 1987. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 1.10.87, № 7082-В87

4. Михинов А.Е., Эшев С.С. Расчет параметра трения в условиях нестационарного турбулентного пограничного слоя. М., 1987. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 17.11.87, № 8088-В87.

5. Михинов А.Е., Эшев С.С. Экспериментальное исследование связи размеров донных рифелей с параметрами волнового потока и трансформации русловых форм под действием ветрового волнения. М., 1987. 17 с. Деп. в ВИНИТИ 1.10.87, № 7084-В87.

6. Михинов А.Е. Баланс энергии возмущенного движения в волновом потоке // Метеорология и гидрология. 1987. № 6.

7. Рекомендации по расчетам ветровых волн и транспорта наносов в больших каналах. М.: ЦНИИС, 1986. 63 с.

8. Naramura M., Shiraishi H., Sasaki Y., Ito M. Hydraulic Study of sand transportation caused by waves progressing in current // Bull. End. Res. 1970. № 8. P. 209-230.

9. Quick M.C. Sediment transport by waves and currents. Can J. Civil End. 1983, v. 10. № 1, 142-149.

10. Van Rijn L.C. Sediment transport: part I: bed load transport // J. Hydraul. End. 1984. Vol. 110, № 10. P. 1431-1456.