CC BY
257
II университета
'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации
УДК 556.536 Н. Б. Барышников,
д-р географ. наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический университет
(Санкт-Петербург);
А. О. Пагин,
канд. техн. наук,
Российский государственный гидрометеорологический университет
(Санкт-Петербург)
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЧНЫХ РУСЕЛ
FLOW RESISTANCE OF RIVER CHANNEL
Выполнен анализ современного состояния проблемы расчетов гидравлических сопротивлений. Уста -новлено три направления их расчетов. Наиболее перспективным из них является направление, основанное на принципе саморегулирования. Однако оно требует значительных усилий для разработки. В настоящее время лучшие результаты получаются при расчетах, основанных на формулах Шези, Маннинга и других, но и они требуют совершенствования, в частности, учета значительного воздействия глубин и формы сечения речных русел.
The analysis of modern state of the problem of the Flow resistance calculations is performed. Three lines of these calculations are fixed. One of them, based on the self-regulation principle is the most perspective. However it needs substantial efforts for its elaboration. Today the best results are receiving at the accounts based on the Chezy, Manning et al. formulas, but they need to take into account of river depth and shape of the cross section.
Ключевые слова: гидравлические сопротивления, гидравлика потока, шероховатость, саморегулирование.
Key words: hydraulic resistance, stream hydraulics, roughness, self-regulation.
ИИДРАВЛИЧЕСКИЕ сопротивления являются основной проблемой гидравлики и особенно ее речной составляющей. Несмотря на более чем 200-летний период исследований по этой проблеме, она все еще далека от решения. От результатов исследований по ней зависят решения проблем расчетов важнейших гидравлических характеристик речных потоков, таких как их средние скорости, расходы воды (особенно максимальные) и др.
Гидравлическое сопротивление — это сила, с которой русло реки сопротивляется движению потока. Однако его характеристикой принято считать коэффициенты Шези | С или гидравлического трения X [6; 7]. Если
первые обычно употребляются для оценки сопротивлений речных русел, то последние для оценки сопротивлений различных искусственных сооружений.
Рассмотрим основные направления методик расчетов этих сопротивлений. Наиболее часто применяется рекомендуемая На-
ставлением НИМП-72 [9] методика расчетов, основанная на зависимостях вида С = /(И, п) [1]. При этом коэффициенты шероховатости п, как правило, определяются по описательным характеристикам расчетного участка и соответствующим таблицам, число которых в настоящее время более 20. Наиболее часто в России используются таблицы М. Ф. Срибного и И. Ф. Карасева, а в США В. Т. Чоу и Дж. Бред-ли. Все указанные таблицы основаны на большом объеме натурной информации, а таблицы Чоу даже сопровождаются альбомом цветных фотографий. К сожалению, как сами коэффициенты шероховатости, так и таблицы для их определения имеют много недостатков, основными из которых являются субъективизм, а также широкий диапазон значений коэффициентов шероховатости при одной и той же описательной характеристике. К тому же, как правило, не учитываются глубины водотоков и формы сечения речных русел. Коэффициенты шероховатости, являясь интегральной характеристикой всех видов сопротивлений, имеют
неопределенную, точнее переменную, размерность, что, в частности, подтверждается анализом формулы Павловского
ку
п =
где у = (Хл/Й, то есть является переменной величиной.
По-видимому, эти недостатки метод и-
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
ки и вызвали негативное отношение к ней К. В. Гришанина [4]. Дополнительно следует отметить, что количество формул для расчета коэффициента Шези более 200. В РГГМУ [1; 2] по данным наблюдений на 502 постах выполнена оценка точности расчетов на основе формул Шези и Маннинга и таблиц Срибного, Карасева, Чоу и Бредли (см. табл. 1).
Таблица 1
Среднеквадратичные и максимальные значения отклонений табличных коэффициентов шероховатости от расчетных значений (в % от п )
Группа рек Кол-во рек А п/п = (п - п )/п р р т' р
по С рибному по Чоу по Бредли по Карасеву
Ал пр ДЛщах пр Ап пр А«тах пр Ап пр Д^тах ПР Ап пр ДИтах пр
Равнинные 317 34,7 173 36,2 218 35,8 321 34,8 165
Горные и полугорные 185 31,9 208 30,8 203 32,4 255 31,7 210
Осредненные 502 33,7 208 34,1 218 35,1 321 33,8 210
Здесь Ап — осредненная величина отклонений табличных значений коэффициентов шероховатости от расчетных.
Как вытекает из анализа данных табл. 1, среднеквадратические значения отклонений табличных величин от расчетных (по натурным данным) по всем таблицам находятся в довольно узком диапазоне от 30,8 до 36,2 % при максимальных значениях, достигающих 321 %. Эти данные указывают на необходимость совершенствования данной методики.
Второе направление, имеющее широкое распространение в США и других
странах, основано на зависимостях вида
= или =/(Яе,/г/£).
л/я л/Я
В качестве примера можно привести форму-
С к лы К. В. Гришанина [4] -¿= = 5,661£--5,3
к5о
с л
или Гриффитса —т= = 5,60 ^--1- 2,15.
с 1 к и
К50
Общий вид формул этого направления:
"•50
Иногда в качестве дополнительного фактора используется расход донных наносов.
Анализ надежности этого вида формул показал, что они непригодны для равнинных рек, где перемещение донных наносов часто происходит в виде донных гряд, основной характеристикой которых, определяющей величину сопротивления, является их крутизна, которая не учитывается в формулах этого вида. Более того, формулы этого вида недостаточно эффективны и для расчетов сопротивлений горных рек [4; 5].
Третье направление основано на принципе саморегулирования в системе «речной поток-русло». Его основы были заложены в работах М. А. Великанова и поддержаны ведущими гидравликами России, в том числе и К. В. Гришаниным [4 и др.]. Действительно, речной поток протекает в аллювиальных отложениях и сам, в зависимости от поступления из бассейна того или иного количества воды и наносов, изменяет высоту выступов
во о-
X 2
университета водных коммуникаций
см ж и
Рис. 1. График зависимости п/п50 = /(И/И50 )
для равнинных рек. (первый тип) 1-11 — осредненные для групп рек кривые; 1-12 — полученные по данным наблюдений на конкретных реках
Рис. 2. График зависимости п/п50 = /(И/И50 ) для равнинных рек; (второй тип) Ш-1У — осредненные для групп рек кривые; 13 -20 — полученные по данным наблюдений на конкретных реках
шероховатости, переводит форму перемещения наносов из безгрядовой в донно-грядо-вую и наоборот, существенно изменяя при этом величину сопротивления и приводя в соответствие транспортирующую способность потока с расходом наносов, поступающих из бассейна реки. Таким образом поток сам формирует гидравлические сопротивления в зависимости от объема поступления наносов, притока воды в реки и других факторов. Исходя из этого, авторы [10 и др.] представляют эту зависимость в виде С = /(И, I).
Данное направление наименее разработано, полученные зависимости [2; 10], к сожалению, имеют региональное значение и низкую эффективность.
Проведенный анализ показывает, что наиболее перспективным, но и наименее разработанным является третье направление. Однако для его разработки необходимы не только аналитические, но и большие, дорогостоящие полевые исследования, поэтому в настоящее время наиболее целесообразным является использование первого направления. Исходя из этого, рассмотрим некоторые возможные пути его совершенствования.
Рис. 3. График зависимости п/п50 = /(И/И50 ) (разные типы кривых): а — третий тип; б — четвертый тип; в — пятый тип
Анализ натурной информации и формул для расчетов коэффициентов Шези, проведенный в РГГМУ [1; 2], показал, что при расчетах на малых и средних реках практически во всех формулах недостаточно учитывается влияние глубины и формы сечения русел. Ус -тановлено [1; 2], что в зависимости от степени зарастаемости берегов на равнинных реках и их засоренности на горных реках могут наблюдаться различные виды кривых зависимостей -= - } (-=) или — = у (-=). С п п п Эти зависимости при использовании
для расчетов формулы Маннинга фактически являются зеркальным отображением друг друга. На основе анализа этих зависимостей было выделено пять их типов (рис. 1-3).
Как видно на приведенных рисунках, эти типы зависимостей резко отличаются друг от друга. В то же время такой характер зависимостей не учитывается ни в одной из известных формул для расчета коэффициентов Шези. Действительно, практически во всех известных формулах коэффициент
II университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
Шези, как правило, пропорционален глубине в степени, меньшей 0,2. Анализ же натурной информации свидетельствует, что этот показатель изменяется в значительно больших пределах, включая его отрицательные значения. Все это свидетельствует о необход и-мости совершенствования формул и методов расчетов гидравлических сопротивлений на малых и средних реках. Второй основной причиной такого характера зависимостей на малых и средних реках, помимо состояния берегов, являются русловые образования, расположение которых относительно расчетного створа может как создавать подпор, что приводит к значительному уменьшению скоростей, так и, наоборот, резко увеличивать скорости течения.
Значительно сложнее выявить влияние формы сечения речных русел на гидравлические сопротивления. Многочисленные публикации по этой проблеме [3; 8 и др.] позволяют сделать вывод о том, что влияние этого фактора ощущается до значений B/h ~ 50-60, то есть оно значимо только на малых и средних реках.
Список литературы
1. Барышников Н. Б. Гидравлические сопротивления речных русел. — СПб.: РГГМУ, 2003. — 147 с.
2. Барышников Н. Б. Динамика русловых потоков. — СПб.: РГГМУ, 2007. — 314 с.
3. Гончаров В. Н. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1962. — 375 с.
4. Гришанин К. В. Гидравлические сопротивления естественных русел. — Л.: Гидрометеоиздат, 1992. — 183 с.
5. Железняков Г. В. Пропускная способность русел каналов и рек. — Л.: Гидрометеоиздат, 1981. — 310 с.
6. Зегжда А. П. Гидравлические потери на трение в каналах и трубопроводах. — М.: Гос-стройиздат, 1957. — 278 с.
7. Знаменская Н. С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1992. —— 240 с.
8. Карасев И. Ф., Коваленко В. В. Статистические методы речной гидравлики и гидрометрии. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. — 208 с.
9. Наставление по изысканию и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки [НИМП-72]. — М.: Транспорт, 1972. — 280 с.
10. Скородумов Д. Е. Гидравлические основы экстраполяции кривых расходов воды до высших уровней // Тр. ГГИ. — 1960. — Вып. 77. — С. 3-44.
