Прогноз деформаций русла реки Белой в нижнем бьефе Юмагузинского гидроузла до города Стерлитамак в Республике Башкортостан Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 627.81: 556.536

ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ РУСЛА РЕКИ БЕЛОЙ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ЮМАГУЗИНСКОГО ГИДРОУЗЛА ДО ГОРОДА СТЕРЛИТАМАК В РЕСПУБЛИКЕ БАШКОРТОСТАН

© 2004 г. В.Л. Бондаренко, Е.Н. Белоконев, М.М. Мордвинцев, Ю.М. Косиченко

Натурные исследования участка среднего течения р. Белой в Республике Башкортостан от п. Юмагузино до г. Стерлитамак проводились с целью оценки условий формирования русла в нижнем бьефе Юмагузин-ского гидроузла до его ввода в эксплуатацию.

В задачи исследований входило: геоморфологическое описание участка реки; отбор проб донных отложений на участках перекатов; описание условий работы водозаборов до пуска в эксплуатацию гидроузла.

При решении первой задачи необходимо было оценить не только общее состояние русла по отдельным створам (включая и створы водозаборов из реки), но и попытаться установить причины тех или иных изменений состояния русла, которые в последующем могут существенно повлиять на работу береговых и русловых сооружений на исследуемом участке реки.

Отбор проб донных отложений на перекатах (а это участки русла, где происходит ежегодное перемыва-ние отложений с возможным образованием отмостки) был необходимым для сопоставления результатов рассева проб двадцатилетней давности (1982 г.) и уточнения условий возможного общего размыва (деформации) русла в нижнем бьефе после ввода в эксплуатацию Юмагузинского гидроузла.

Согласно морфологической классификации речных русел Р.С. Чалова [1], исследуемый участок р. Белой можно отнести к широкопойменным (соотношение между шириной русла Ьр и шириной поймы ВП: Ьр/ВП > 2*3). Н.И. Маккавеев (1955 г.) принимал это соотношение в качестве косвенного показателя преимущественного развития боковой эрозии (горизонтальных русловых деформаций). В рамках этого геоморфологического типа выделяют следующие морфодинамические типы русел: извилистые (меанд-рирующие), разветвленные на рукава (русловая мно-горукавность) и относительно прямолинейные, нераз-ветвленные [1].

Анализ данных морфометрии исследуемого участка [2] с наложением результатов на (здесь р -русло-формирующий расход; I - средний уклон русла на участке) диаграммы В.В. Ромашина (1968) и А.М. Алабяна (1992) показал, что русло р. Белой с большой натяжкой можно отнести к морфодинамиче-скому типу - русловая многорукавность, несмотря на наличие относительно большого количества на этом

участке уже заросших островов. По Р1-диаграммы А.М. Алабяна наиболее характерные формы грядового движения наносов - побочни и осередки = = 0,05*0,15).

Оценка морфометрических элементов реки по данным гидрологических ежегодников, материалам изысканий на стадии ТЭО [3] показала, что русло р. Белая «расширено» по сравнению со «свободным» формированием его, и причина этого - наличие в русле палеоотложений, размываемых современным потоком и служащих базисом глубинной эрозии русла. Однако выход на «дневную поверхность» этих отложений по результатам исследования отмечается не повсеместно.

Это и определяет разнообразие морфодинамиче-ских типов русла на исследуемом участке реки.

Схема р. Белая с участками и створами обследования приведена на рисунке. На нем указываются места отбора проб русловых отложений и местоположение обследованных водозаборных сооружений.

Схема участка р. Белая: Ш - места отбора проб; ® -водозаборы из поверхностных источников; 0 -водозаборы подземных вод; Г - подпорные сооружения

Натурные исследования руслоформирующих процессов на р. Белой в нижнем бьефе Юмагузинского гидроузла до г. Стерлитамака выполнялись на участках: п. Юмагузино, д. Хасанова, д. Саразулово, д. Ташлыкуль, г. Мелеуз, г. Салават, д. Яр-Бешкадак и г. Стерлитамак

Гранулометрический состав донных отложений, определенный в результате отбора проб, приведен в табл. 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав донных отложений в русле р. Белая

Размеры фракций, мм; содержание, %

7 7

dmax, разн.

100-50 50-20 20-10 10-7 7-5 5-3 < 3

1.п.Юмагузино

I (верхний слой) 8 8 49,4 23,4 7,9 4, 3 3,9 1,8 27,6 68,3

II (нижний слой) 8,0 44,0 30,2 4,4 5,2 6,4 1,8 22,2 80

Суммарный состав 3,8 46,4 27,2 5,9 5,1 5,3 1,8 22,7 22,7

2.д.Хасаново

I (верхний слой) 12,8 24,1 11,6 8,3 5,5 7,6 30,1 22,3 95

II 7,4 30,7 10,6 6,9 5,1 7,6 31,7 20,4 93,3

III 6,1 29,6 12,3 7,1 5,7 7,4 31,8 19,0 88,3

Суммарный состав 7,8 29,0 11,5 7,2 5,4 7,5 31,6 20,2 95

З.д.Сарагулово

I (верхний слой) 12,8 59,6 11,3 4,1 2,1 2,3 7,8 37,8 93,3

4.д.Ташлыкуль

I (верхний слой) 6,0 51,0 14,9 5,0 2,9 3,6 16,6 28,7 93,3

II 4,3 37,5 17,8 7,1 5,5 5,2 22,6 19,9 70 3,02

III 7,2 37,9 17,0 6,0 3,9 5,0 23,0 23,4 105 3,38

IV 6,6 36,6 15,4 6,0 4,3 4,9 26,2 23,4 81,7 3,06

V 5,6 19,9 19,9 7,5 4,5 6,3 36,3 16,7 106,7

Суммарный состав 5,9 36,7 17,0 6,3 4,2 5,0 24,9 21,3 105 3,64

5.г.Мелеуд

I (верхний слой) 10,5 68 ,7 9,9 3,1 2,7 5,1 - 42,8 93,3

□(нижний слой под отмосткой) 41,2 18,5 8,9 31,4 23,9 73,3

Суммарный состав 4,4 52,6 14,9 6,5 7,4 14,2 31,8 93,3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

6.г. Салават

I (верхний слой) 28,2 32,0 11,6 4,1 2,7 6,6 14,8 35,8 80 1,98

II 5,9 34,8 15,5 6,0 3,7 2,9 31,2 20,3 80 3,28

III 5,0 33,6 16,9 6,7 4,0 3,3 30,5 19,5 81,7 3,45

Суммарный состав 14,0 33,3 14,5 5,5 3,4 4,4 24,9 24,9 81,7 2,70

7.д.Яр-Бешкадак

I (верхний слой) 26,3 42,1 11,7 4,7 3,3 3,4 8,5 39,3 86,7 1,88

II 5,0 40,6 14,0 7,6 6,0 6.2 20,6 22,7 81,7 3,05

III 7,3 40,4 15,8 6,5 4,7 5,7 19,6 23,7 78,3 2,81

IV 4,5 43,8 16,5 5,2 4,4 4, 8 20,8 21,6 66,7 2,70

V 6,2 47,3 13,6 5,2 3, 3 4,0 19,9 26,5 82,2 2,68

VI 8, 8 41,1 13,3 5,7 4,6 4, 8 21,7 25,0 78,3 2,70

VII 5,5 39,3 16,5 6,1 3,9 5,1 23,6 23,6 88,0 3,14

Суммарный состав 8 8 42,1 14,6 5,9 4,3 4, 8 19,5 24,2 88,0 2,85

8. г.Стерлитамак

I (верхний слой) 25,0 24,2 16,7 7,0 3,5 4,1 19,5 29,7 73,3 2,22

II 3,2 21,4 23,0 10,2 5,2 7,6 29,4 13,6 60,0 3,74

III 2,1 20,0 26,7 9,3 5, 3 7,4 28,7 13,0 63,3 3,97

IV 2,3 22,6 23,7 9,1 5,5 6,1 30,7 14,1 58,3 3,72

V 1,3 16,1 23,3 9,0 5, 3 5,5 39,0 11,4 66,7 4,90

VI 1,6 17,1 21,8 10,0 5,3 3,5 40,7 11,7 70,0 4,91

Суммарный состав 6,3 20,1 22,2 9,1 5,1 5,4 31,8 14,7 73,3 3,85

Во всех створах отмечается наличие отмостки в русле, под которой залегают более мелкие по составу отложения. Средний диаметр в суммарных составах проб донных отложений на исследуемом участке мало отличается (йср от 20,2 мм до 24,9 мм) и только от Яр-Бешкадака до Стерлитамака он снижается до 14,7 мм.

За показатель разнозерности этих составов принято отношение:

Кразн. = ^шах /^ср.

Этот показатель для отдельных составов приводится в графе 11 табл. 1. Отмечается увеличение этого показателя с глубиной отбора пробы.

Следует отметить увеличение в составе отложений вниз по течению реки песчаных фракций (а<2мм). Это особенно заметно в пробах у с. Яр-Бешкадак и г. Стер-литамака. В русле реки встречаются небольшие косы и отмели из мелкого рыхлого материала. Под кустами водорослей и наиболее крупными булыгами встречаются линзы песка. По нашему мнению, эти отмели образовались из донных наносов в момент спада половодья.

Наличие подобного влекомого материала указывает на возможность русловых переформирований, несмотря на выход в отдельных местах русла слоя палеоотложений.

Местоположение и отдельные характеристики обследованных водозаборов приведены в табл. 2 .

Русловой водозабор Кумертаусской ТЭЦ расположен на левом берегу выше по течению д. Бугульчан в протоке с замедленным течением воды.

Кроме Кумертаусской ТЭЦ, этим водозабором пользуется ПУ «Межрайкоммунводоканал» г. Кумер-тау, особенно в зимнее время при снижении производительности основных подземных водозаборов в районе.

Подземный водозабор на левом берегу р. Белая у п. Ира служит для водоснабжения г. Кумертау (до 850 м3/ч) и частично г. Мелеуз (до 700 м3/ч).

Оценка влияния снижения уровня воды в реке на дебит скважин берегового водозабора сводится к расчету фильтрации по схемам, приведенным В.М. Шес-таковым [4]. При наличии гидравлической связи между рекой и грунтовыми водами условия работы берегового водозабора будут аналогичны дренажному ряду, расположенному вдоль реки [5]. Нарушение гидравлической связи произойдет, когда уровень грунтовой воды в створе берега реки окажется ниже подошвы экранирующего слоя (граница дна реки). Дебит водозаборных скважин практически зависит не от расхода естественного потока, а от уровня воды в реке и условий взаимодействия подземных вод с поверхностными.

В пределах г. Салават функционируют три водозабора, выполненные в виде береговых заглубленных цилиндрических колодцев, которые размещены на левом вогнутом берегу речной излучины (НС № 3 построена в 1967 г; НС № 1 и НС № 2 - в 1953 г.).

Обследованные водозабо

Следует отметить , что проблемы с забором воды из р. Белой на этом ее участке возникли из-за увеличения объема водоотбора и общего понижения уровней воды в нижнем течении (ниже г. Уфа). С 1940 г. по 1998 г. это понижение составило примерно 1 м [6], которое вызвано добычей песчано-гравийной смеси и путевых дноуглубительных работ в нижнем течении р. Белой.

Независимо от влияния Юмагузинского водохранилища, снижение минимальных уровней при неизменности водности реки в межень является причиной затруднения заборов воды из реки.

С целью подпора уровня воды в межень у водоприемных окон береговых водозаборов ниже НС № 3 (г. Салават) построено низконапорное сооружение шан-дорного типа, которое обеспечивает подпор до 0,60 м.

В период половодья шандоры убираются, так как поток стремится «обойти» запруду. Спрогнозировать обход водным потоком запруды (подпорного сооружения) расчетным путем не представляется возможным. Требуется моделирование этого участка с оценкой гидравлических характеристик потока на размываемой модели. Здесь следует иметь ввиду и условия подхода потока к сооружению выше створа НС № 1.

Обследованный водозабор АООТ «Сода» на левом берегу р. Белой у д. Яр-Башкадак представляет собой береговую насосную станцию заглубленного типа, построенную в 1948 г. Проблем с забором воды, связанных с уровнем воды в реке, предприятие не испытывает, поскольку сооружение расположено на плесе с достаточными глубинами воды в р. Белой в межень.

Водозаборные сооружения АООТ «Сода» в г. Стерлитамаке расположены на левом берегу р. Белой и по конструктивному решению подобны сооружениям в г. Салават. Здесь, как и выше по течению у г. Салават, для гарантированного забора воды потребовалось создать подпор уровня воды в реке. По проекту института «Гидропроект» (г. Москва), была возведена каменно-набросная запруда - барраж, которая была разрушена водным потоком в первое же половодье.

Таблица 2

>1е сооружения на р. Белой

Местоположение, км от устья реки Тип водозабора Наименование основного водопотребителя Мощность водозабора, м3/ч Объем водозабора, тыс. м3/год (уровень 1999 г.)

1. д.Бугульчан (873 км) русловой Кумертаусская ТЭЦ 3600 8624

2. п. Ира (868 км) подрусловой ПУ «Межрайводоканал», г.Кумертау, МП «Водоканал», г. Мелеуз 800 5828

З.г.Салават (786 км) НС №1 НС №2 НС №3 русловой ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» 10000 62392

4.Яр-Бешкадак Бурводстрой (767 км) русловой АООТ «Сода» - 6857

г. Стерлитамак (742 км) НС №1 НС №2 русловой АООТ «Сода» 195000 88470

При обследовании был зафиксирован перепад уровней воды в верхнем и нижнем бьефах запруды-барража, который и составил 1,89 м. Такой подпор обеспечивает необходимые уровни воды в реке у водозаборных отверстий. Но созданный подпор породил и другую проблему. При малом половодье не промывается отложивщийся у водозаборных отверстий ил, который накапливается при дождевых паводках в летне-осеннюю межень, что требует разработки специальных мероприятий по защите водозаборных отверстий от заиления. Здесь заслуживает внимания предложение проф. В.Л. Бондаренко по защите водозаборных отверстий от затопления при помощи наплавных конструкций из тканевых материалов.

Для обеспечения необходимых уровней воды в р. Белой на участках расположения береговых водозаборов, с учетом увеличения меженных расходов на 20-30 м3/м за счет Юмагузинского водохранилища, требуется разработка и научное обоснование комплексных руслорегулирующих мероприятий.

Опыт прогнозирования общего размыва в граве-листо-галечниковых руслах (IV тип) показывает, что снижение уровня воды в результате этого процесса обычно не превышает 0,4-0,6 м и до 1,0 м [7]. Это объясняется тем, что отмостка русла появилась уже при бытовом режиме, а снижение происходит за счет размыва отдельных русловых образований, сложенных мелкими наносами.

Расчеты процесса укрупнения отмостки русла при общем размыве, выполненные по методике [7] с использованием гранулометрических составов, определенных полевыми изысканиями, показали, что глубина размыва по расчетным створам составила: д. Хасаново - 0,52 м; д. Ташлыкуль - 0,38 м; д. Яр-Бешкадак - 0,45 м.

Для определения времени стабилизации процесса общего размыва использованы результаты расчета донных наносов [2, т. 1, разд. 1.5]. Величина годового стока составила 96,61 тыс. т/год. При расчетной длине участка перемыва донных отложений 74,4 км (створ плотины - водозабор у д. Ира) и плотности донных отложений 1900 кг/м3 время размыва составит 75 лет.

Снижение уровня при общем размыве будет ощутимым при малых расходах воды (это бытовые меженные расходы). Увеличение меженных расходов в реке попуском из водохранилища до 30 м3/с позволит поднять уровень воды на 0,15 м и при прогнозируемом размыве русла общее снижение уровня составит 0,30-0,37 м.

На участках русла, где благодаря формированию отмостки при общем размыве нижнего бьефа гидроузла глубинная эрозия уменьшается, усиливается размыв прибрежной части русла и берегов, состоящих из более мелких отложений, чем перемытая стрежневая часть русла р. Белой. Расширение русла в результате размыва берегов приводит к пониже-

нию уровней воды в дополнение к понижению при общем размыве.

Расчетная схема может быть представлена в следующем виде: поток, сбрасываемый через гидроузел, не насыщен наносами и имеет скорость, равную или близкую к размывающей. Достичь насыщения наносами до транспортирующей способности он может за счет увеличения ширины русла, так как глубинную эрозию ограничивает сформированная отмостка; размыв берегов и прибрежной части русла увеличивает площадь живого сечения потока и уменьшает среднюю скорость течения до неразмывающей.

При этом с увеличением площади живого сечения потока за счет размыва берегов допускается понижение уровня воды на величину Ы. Средняя скорость потока в сформировавшемся русле определяется по формуле Шези

VH = — (Н - AZ К (Н - AZ )i

где Н - средняя глубина потока при руслоформирую-щем расходе и соответствующей скорости потока в бытовых (до размыва) условиях; пш - коэффициент шероховатости русла; / - гидравлический уклон.

При известных физико-механических характеристиках грунтов берега (сцепление, плотность, размы-ваемость и т.д.) скорость ^ можно вычислить по формуле Ц.Е.Мирцхулавы [8]:

f

Vн =

lg

8,8Н

*q5

x [(( г -y. к + 125сн],

V lßybn

где т - коэффициент условий работы, зависящий от наличия в воде наносов, искривления русла; п - коэффициент перегрузки, учитывающий пульсационный

характер скорости;

СН -

предел усталости разрыва

связных грунтов.

Из условия неразрывности потока площадь живого сечения со скоростью УН будет:

q = (в + 1р )н -az)

Ун

где 1Р - ширина размыва русла, м.

Численная оценка снижения уровня воды с учетом приведенных трех условий показала возможное понижение уровня до 0,2 м на участке нижнего бьефа до г. Стерлитамака. При расчетах учитывалось снижение интенсивности размыва берегов при регулировании расходов половодья Юмагузинским гидроузлом.

Выводы

Исследованиями по оценке влияния Юмагузин-ского гидроузла на русловые процессы и уровенные режимы р. Белой в нижнем бьефе на участке 200 км до г. Стерлитамака было установлено:

ш

1. Уровенный режим р. Белой на участках расположения береговых водозаборов (города Ишимбай, Салават и Стерлитамак) претерпевает незначительные изменения, которые не гарантируют устойчивой работы насосных станций.

2. Общий размыв русла в расчетных створах р. Белой на 75-летний период составит в пределах от 0,30 до 0,37 м.

3. Плановые деформации русла р.Белой в результате образования на дне отмостки будут способствовать дополнительному снижению уровня воды до 0,2 м.

4. Для определения необходимых мероприятий по обеспечению требуемого уровенного режима р. Белой на участках расположения береговых водозаборов необходимы модельные гидравлические исследования.

5. Для защиты водозаборных отверстий береговых насосных станций от заиления требуется разработка специальных конструктивных мероприятий по использованию наплавных конструкций.

Литература

1. Морфодинамика русел равнинных рек / Под ред. Р.С. Чалова. М., 1998.

2. Исследования сооружений Юмагузинского водохрани-лищного гидроузла на р. Белой в Башкортостане. Разд. 4: Исследование русловых деформаций под воздействием Юмагузинского водохранилища и переформирование водохранилища: Отчет о НИР / НГМА. Новочеркасск, 1999. Т.1. 211 с., Т. 2. 109 с.

3. ТЭО Юмагузинского водохранилища на р. Белой в Республике Башкортостан. Ростов н/Д, 2000.

4. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М., 1979.

5. Проектирование водозаборов подземных вод / Под ред. Ф.М. Бочевара. М., 1976.

6. Барышников Н.Б., Беркович К.М., Гареев А.М. Развитие русла Нижней Белой в условиях антропогенной нагрузки // Эрозионные и русловые процессы. Вып. 3 / Под ред. Проф. Р.С.Чалова. М., 2000. С. 201-215.

7. Лапшенков В.С. Прогнозирование русловых деформаций в бьефах речных гидроузлов. Л., 1979.

8. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии

русел. Л., 1988.

Новочеркасская государственная мелиоративная академия 10 сентября 2003 г.

УДК 532

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМОВАНИЯ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ

© 2004 г. В.Н. Колодежнов, С.Н. Амзин

Одним из процессов, реализуемых в промышленности, является процесс формования трубных заготовок. Гидродинамические модели течения реологически сложных жидкостей в каналах кольцевого сечения рассматривались в целом ряде публикаций. В работе [1] представлены расчетные соотношения по течению вязких сред, подчиняющихся реологической модели Остальда-де-Вилля. Течение в кольцевом канале бин-гамовской среды рассмотрено в [2]. В этой работе полагается, что напряжения сдвига материала на внутренней и внешней стенках равны между собой. Последнее допущение, вообще говоря, не всегда имеет место. Кроме того, для вязкой области течения в [2] принималась классическая модель ньютоновской жидкости.

Рассмотрим ламинарное, одномерное и установившееся течение вязкопластичной среды, соответствующей реологической модели Балкли-Гершеля, в канале кольцевого поперечного сечения. Такая реологическая модель учитывает не только пластические свойства рабочей среды, но и неньютоновское отклонение реологической модели для вязкой области течения.

Введем цилиндрическую систему координат. Начало отсчета оси г системы совместим с центром окружности поперечного входного сечения канала. При этом ось Ог сориентируем вдоль оси симметрии канала по направлению движения рабочей среды.

Течение вязкой неньютоновской жидкости описывается системой фундаментальных уравнений неразрывности и гидродинамики [3].

Введем следующие общепринятые допущения: будем полагать, что рабочая среда является несжимаемой, а ее течение - осесимметричным.

С учетом сделанных выше упрощающих допущений система фундаментальных уравнений сводится к виду

дР 1 д / ч

IT = _( Grz

dz r дг

дР = 0;

дг

dU -= 0,

дт

где оГГ - компонента тензора напряжений; и=и(г) -скорость среды вдоль оси г.

Если рабочая среда соответствует реологической модели вязкопластической жидкости (модель Балкли-Гершеля), то соответствующая компонента напряжения в области вязкого течения определяется из выражения

гг =-т0 К,