CC BY
7УДК 627.74:656.62.052.08
А.А. Сазонов, к.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» К.О. Дмитриева, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНОГО ВАРИАНТА КОНФИГУРАЦИИ ПОЛУЗАПРУДЫ
Ключевые слова: дноуглубительные работы, математическое моделирование, безопасность судоходства.
В данной статье приводится краткий анализ объёма дноуглубительных работ по перекатам на участке от Воткинского гидроузла до г. Сарапул. Также приводятся результаты исследований структуры обтекания потока воды различных вариантов конструкций полузапруд для одного из участков реки Белой.
Речным потокам присущи свойства движения речных наносов. Однако для конкретных фаз гидрологического режима потока между его гидравлическими характеристиками и параметрами русла устанавливается временное относительное устойчивое динамическое равновесие. Подобное положение нарушается в условиях естественного половодья, при возведении каких-либо гидротехнических сооружений или при выполнении в русле реки земляных работ, существенно изменяющих размер и очертание русла реки, что ведет к ухудшению условий судоходства.
Для обеспечения заданных габаритов судового хода и безопасности плавания на внутренних водных путях выполняются различные путевые работы. В комплекс этих работ входят: дноуглубление, выправление, траление и руслоочищение. Все эти виды путевых работ выполняются как на свободных реках, так и на искусственных водных путях.
Дноуглубление заключается в устройстве подводных прорезей (каналов) на затруднительных для судоходства участках, а возведение выправительных сооружений на - перекатах незарегулированных участках рек.
Одним из эффективных методов поддержания нормируемых габаритов судового хода является строительство выправительных сооружений: систем полузапруд или струенаправляющих дамб. Особенно актуальным данный метод является в настоящее время, так как объём дноуглубительных работ практически на всех судоходных реках резко упал в связи с недостаточным финансированием. Характерным примером этого является речной участок реки Белой и нижний бьеф Воткинской ГЭС реки Кама, на которых в последние годы резко упал объём дноуглубительных работ, что привело к значительному ухудшению судовых условий.
В целях изучения данной проблемы был выполнен анализ объёма дноуглубительных работ на участке нижнего бьефа Воткинского гидроузла на наиболее затруднительных перекатах на участке от створа гидроузла до г. Сарапул: Паздеринском, Нижнедокшанском, Верхненечкинском, Средненечкинском и Пещерском. Ниже приводятся данные анализа дноуглубительных работ на этих перекатах за период с 1992 по 2012 гг. (рис. 1-5).
Рис. 1. Диаграмма дноуглубления на Паздеринском перекате
Паздеринский перекат (1904 км) находится на сложном участке - на повороте русла реки Кама. Средний объем дноуглубительных работ (в анализируемый период) составлял 65,1 тыс. м3в год.Вто же время следует отметить, что дноуглубительные работы велись эпизодически в 1993, 1994 и 1996 гг. и с 2003 по 2007 г. Наибольший объем работ в 1993 г. - 88 тыс. м3, а с 1997 по 2003 гг.дноуглубительные работы не проводились вообще. В 2003 и 2005 гг. он составил 80,3 и 81,4 тыс. м3 соответственно, а к 2008 г. снизился до 55,7 тыс. м3. В дальнейшем дноуглубительные работы на этом перекате не проводились.
Рис. 2. Диаграмма дноуглубительных работ на Нижнедокшанском перекате
За весь анализируемый период на Нижнедокшанском перекате (1897 км) дноуглубительные работы проводились также эпизодически. Наибольшие объемы работ были в 1994 и 1995 г. и составляли соответственно 132,3 и 109,5 тыс. м3. Минимальное дноуглубление - 19 тыс. м3 и 17,6 тыс. м3 было в 1996 и 2004 г. В 1997, 1999, 2002-2003 г. и после 2005 г. перекат вовсе не разрабатывался.
Рис. 3. Диаграмма дноуглубления на Верхненечкинском перекате
Верхненечкинский перекат (1878 км) разрабатывался довольно интенсивно с 1992 по 2012 гг., кроме 1994, 1995, 2004, 2005 г. Наибольший объем выемки грунта был в 1992 г. и составил 211,2 тыс. м3. Минимальный объем работ за весь анализируемый период составил 25,1 тыс. м3 в 2012 г.
Рис. 4. Диаграмма дноуглубления на Средненечкинском перекате
Дноуглубительные работы на Средненечкинском перекате (1875 км) активно велись с 1993 по 1998 гг., которые в 1996 г. составили 448,5 тыс. м3 - это самый высокий объем дноуглубления на всем рассматриваемом участке. Затем произошел резкий спад дноуглубительных работ и с 2000 по 2002 гг. этот перекат разрабатывался очень мало - эпизодически всего лишь в среднем по 9,1 тыс. м3. С 2009 г. работы на данном перекате больше не проводились.
№. тыс.. м4 V
Рис. 5. Диаграмма дноуглубления на Пещерском перекате
Пещерский перекат (1869 км) разрабатывался довольно интенсивно и неравномерно. Максимальный объем работ составил 283,4 тыс. м3 в 1994 г. В 1996 г. он резко снизился до 8,8 тыс. м3. С 1998 по 2002 г. дноуглубительные работы на этом перекате не проводились. С 2003 г. вновь начал расти объем извлекаемого грунта и в 2004 г. он составил 113 тыс. м3. В среднем за период с 2003 по 2012 г. объем работ составлял по 54,6 тыс. м3 в год.
Выполненный анализ показал, что на Паздеринском перекате объём работ уменьшился в 1,16 раз, на Нижнедокшанском перекате в 7,5 раз, на Верхненечкинском перекате в 8,4 раза, на Средненечкинском в 49,3 раза и на Пещерском перекате в 5,2 раза, а в настоящее время дноуглубление прекращено на трёх перекатах.Это серьёзно осложнило поддержание установленных гарантированных габаритов судового хода, особенно в маловодные годы. Подобная ситуация наблюдается и на других не-зарегулированных участках рек. Так, в частности, на реке Белой в результате резкого уменьшения дноуглубительных работ произошло снижение транзитной судоходной глубины с 2,5 до 1,8 м.
В связи с недостаточным финансированием в последние годы на незарегулиро-ванных реках вновь стало применяться строительство выправительных сооружений, для поддержания установленных судоходных глубин.
Для уточнения эффективности работы таких сооружений нами проведено математическое моделирование структуры движения потока воды при возведении полузапруды на примере одного из участков реки Белая. Данный участок представляет собой двухрукавное русло , где основной судовой ход проходит по левому рукаву. Однако у приверха острова Аткульский в правобережный рукав отвлекается достаточно
большой объём воды, в который действует затяжное течение, а у приверха острова образовался Среднеаткульский перекат, являющийся затруднительным для судоходства (рис. 6).
Рис. 6. План русловой съёмки проектируемого участка
Основой в решении задач, связанных с гидродинамикой речного потока, является точное знание особенностей кинематической структуры потока. Для исследования структуры потока в настоящее время нашло активное применение математическое моделирование структуры движения потока воды.
Для описания любых гидродинамических процессов, как правило, широко используется решение полной системы дифференциальных уравнений Навье - Стокса:
где Ух , Уу , Уг - компоненты скоростей в проекции на соответствующую ось; Р - давление в конкретной точке потока; V - эффективная вязкость.
Для получения окончательных численных результатов систему уравнений (1) необходимо дополнить граничными условиями и начальными условиями. Также определяют область пространства, для которой решается задача, то есть формируют расчетную область задачи.
Под начальными условиями понимается величина, присваиваемая переменным во всех узлах расчетной сетки перед началом вычислении (значения на момент времени 1 = 0).
Для решения конкретной задачи моделирования речного русла использованы следующие граничные условия:
- Входное граничное условие;
- Выходное граничное условие;
- Граничное условие не протекания ;
- Граничное условие симметрии.
Реализация поставленной задачи осуществляется на базе пакета программного продукта FlowVision.
Нами рассматривается несколько вариантов выправительных сооружений с различной конфигурацией, расположенных под различными углами к направлению течения. Схемы вариантов конфигурации полузапруд для принятого к рассмотрению участка реки Белой приведены на рис. 7-9.
Рис. 7. Схема расположения полузапруды прямоугольной формы на проектируемом участке
Рис. 8. Схема расположения полузапруды Г-образной формы на проектируемом участке
Рис. 9. Схема расположения полузапруды Б-образной формы на проектируемом участке
Для сравнения изменения структуры потока, рассматриваемых вариантов расположения полузапруд, проведено моделирование и расчёт структуры потока воды на рассматриваемом участке в бытовом состоянии, т.е. до строительства полузапруд, результаты расчёта которых приведено на рис. 10.
Результаты исследований некоторых вариантов структуры обтекания потока воды полузапруд различной конфигурации приведены на рис. 11-16.
Рис. 10. Структура потока движения воды на проектируемом участке в бытовом состоянии
Рис. 11. Структура потока при обтекании прямоугольной формы полузапруды под углом 60 градусов
Рис. 12. Структура потока при обтекании прямоугольной формы полузапруды под углом 70 градусов
Рис. 13. Структура потока при обтекании Б-образной формы полузапруды под углом 60 градусов
Рис. 14. Структура потока при обтекании 8-образной формы полузапруды под углом 70 градусов
Рис. 15. Структура потока при обтекании Г-образной формы полузапруды под углом 60 градусов
Рис. 16. Структура потока при обтекании Г-образной формы полузапруды под углом 70 градусов
На основе проведенных нами исследований изменения структуры потока после возведения полузапруд можно сделать вывод о том, что наиболее эффективными являются полузапруды Г- и S-образной формы, расположенные под углом 60 градусов к направлению течения. Такие полузапруды являются наиболее устойчивыми к размыву потоком воды, что подтвердили лабораторные исследования. Поэтому такие типы полузапруд можно рекомендовать для практического внедрения.
Список литературы:
[1] Липатов И.В. Гидродинамика речных потоков и ее влияние на эксплуатационные параметры судоходных гидротехнических сооружений: методология исследований. - Монография. / Н.Новгород: Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2006. - 97 с.
[2] Чебан Е.Ю. Использование программного комплекса «FlowVisюn» для разработки методики оценки эффективности нефтесборного бонового ограждения. // «САПР и графика», - Москва: Изд. «КомпьютерПресс», 2007. - С. 92-96.
[3] Чебан Е.Ю. Численное моделирование обтекания нефтесборного бонового ограждения с
применением программного комплекса «FlowVision» // Вестник ВГАВТ: Надежность и ресурс в машиностроении. - Н. Новгород: Изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 130-139.
THE RESULTS OF THE STUDY OF EFFECTIVE SELECTION OPTIONS CONFIGURATION OF POLYSAPROBIC
A.A. Sazonov, K. O. Dmitrieva
Key words: dredging, mathematical modeling, safety of navigation.
This article provides a brief analysis of the volume of dredging on the shoals in the area from the Votkinsk hydroelectric complex to Sarapul. The results of the studies of the structure of the flow of water flow of different options of designs poulsard for one of the portions of the White river.
УДК 627.215
А.Н. Ситнов, зав. кафедрой, д.т.н., профессор, ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкурова, доцент, к.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ В ШПУНТОВЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ НАБЕРЕЖНЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
Ключевые слова: Шпунтовые набережные, изгибающий момент, угол внутреннего трения, одноанкерная и двуханкерная стенки, грунт основания и засыпки, корреляционный анализ
В статье рассмотрены результаты исследования влияния грунтовых условий на изгибающие моменты в одноанкерной и двуханкерной железобетонных причальных стенках в зависимости от физико-механических характеристик грунтов засыпки и основания и положения высотных отметок основания.
Набережные шпунтовые классифицируются руководящими документами [1] как безанкерные, одноанкерные, одноанкерные с надстройкой (двуханкерные). Кроме того, шпунтовые набережные выполняют металлическими или железобетонными.
Шпунтовые гидротехнические сооружения причальных набережных работают в сложных условиях с воздействием на них значительного количества разнообразных условий, из которых наиболее важными являются грунтовые. Набережные погружаются в грунт, являющийся основанием сооружения, а за шпунтовым рядом формируется грунтовая засыпка. Строительство причальных набережных осуществляется в руслах, а иногда на поймах рек, поэтому основание может быть сложено различными типами грунтов от плотных глинистых, песчаных пород до слабых илистых. Засыпка, как правило, выполняется песчано-гравийным грунтом с его уплотнением в процессе строительства.
При расчетах сооружений учитывается определенный набор физико-механических свойств грунтов: угол внутреннего трения, удельное сцепление, удельный вес и др. Расчетные схемы сооружений принимаются с учетом возможных технологических особенностей строительных работ: устройства котлована для строительства сооружения, уровня установки анкерных опор, глубины забивки шпунтов и т.д.
