3Результаты канальных исследований дамб с водно-перепускными трубами
Кущев Иван Евгеньевич
д.т.н., профессор кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»
Морозова Дарья Сергеевна
магистрант кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», morozova-ds@list.ru
Статья посвящена проведению лабораторных экспериментов на модели канального пропуска воды через гофрированные водно-пропускные трубы автомобильных дамб. В частности канальной неравномерности пропуска воды в зависимости от диаметра труб, для предотвращения аварийных ситуаций на накопительных водяных дамбах. В результате исследования получены следующие выводы:
Очень высокая неравномерность в поперечных значениях матриц равномерности, что показывает достоверность их при описании логарифмическими кривыми, что показывает скрытые дефекты установки. Результаты экспериментов, полученные при проведении лабораторных исследований, показали, что наиболее оптимальными уравнениями, описывающими данный процесс, являются экспоненциальные или логарифмические.
Ключевые слова: водно-пропускные трубы, моделирование расхода воды, количество сбрасываемой воды, время сброса воды.
На основе анализа многочисленных аварий на гидротехнических сооружениях в последние годы, особенно в горных и предгорных районах Кавказа, Алтая и Дальнего Востока [1, 2, 3, 4, 5] в большинстве ситуаций оказывались следующие объективные причины:
1 - отсутствие необходимых и достаточных по объёму накопителей для удержания хотя бы месячной нормы осадков с возможным выпадением в течении суток [3, 6, 7];
2 - отсутствие системы организованного рационального слива воды с накопителей [4, 8, 9];
3 - отсутствие необходимой прочности в гидротехнических сооружениях. Так после строительства удерживающей дамбы в Заилийском Алатау, сели ежегодно выкатывавшиеся на г. Алма-Ату, перестали существовать за счет того, что выкатывавшиеся в последствии сели укрепили построенную дамбу. Они теперь доходят до защитной дамбы, останавливаются и далее происходит их медленная фильтрация через дамбу [2, 8, 10].
Конечно, на равнинных участках России распределённый к площади объём воды не так велик, как в горной местности, но глобальная система каскада ГЭС на Волге позволяет снять остроту весенних паводков в Центральной России за счёт предварительного сброса воды с водохранилищ перед интенсивным таянием снега. Однако, даже бесконечно малые объёмы воды 25 000 + 100 000 м3 способны создать серьёзные проблемы при выполнении хозяйственных работ предприятиями.
К числу таких простых сооружений решающих локальные проблемы водосброса относятся и автомобильные дамбы с перепускными трубами. Данные трубы бетонные, металлические или полимерные размещаются в бетонное ложе дамб, спереди
и сзади укладываются бетонные плиты. Сверху производится отсыпка щебнем и глиной, на которые проводится укладка дорожного полотна. Наиболее распространёнными в силу своей дешевизны являются полимерные гофрированные водно-пропускные трубы. Рассматривая их для строительства автомобильных дамб с точки зрения гидротехнических сооружений, основное внимание в их работе следует уделять их пропускной способности.
По данному критерию были проведены лабораторные исследования на установке, показанной на рисунке 1, с двух функциональным откликом: по функции Y1 время слива, с; по функции Y2 поток слива, л/с.
Рисунок 1 - Испытательная емкость с моделью тела дамбы и вставленными болтами-заглушками: а) в желтой пробке - болт-заглушка М8; б) в красной пробке - болт-заглушка М12; в) в красно-желтой пробке - болт-заглушка М16.
Результаты для всех вариантов с одной трубой малого диаметра представлены в табл. 1.
Особенностью графика на рис. 2 является то, что с увеличением диаметров х1 и х2, время слива T носит явно асимптотически приближающийся к какой-то плоскости параллельной плоскости образованной осями ^ и X2, расположенной под поверхностью отклика времени слива.
В то же время функция величины потока воды, хотя и имеет выраженную квадратичную зависимость, но в не явно выраженной форме, как время. Кроме того, плоскость асимптотического приближения, находится над поверхностью отклика величины потока слива.
Таблица 1
Общие и частные количественные и временные показатели слива воды на лабораторной установке при одном обязательном минимальном канале (Хз = 8 мм)
№ п/п XI Х2 Х3 I Y1 время слива, с Y2 поток слива, л/с
1 8(582) 8 (582) 8(636) 1800 45 0,040
2 12 (1212) 8(294) 8(294) 1800 39 0,046
3 16 (1340) 8 (230) 8 (230) 1800 33 0,054
4 8 (310) 12 (1180) 8 (310) 1800 24 0,075
5 12 (760) 12 (855) 8 (185) 1800 21 0,085
6 16 (900) 12 (700) 8 (150) 1800 18 0,100
7 8 (200) 16 (1400) 8 (200) 1800 20 0,090
8 12 (600) 16 (1000) 8 (200) 1800 17 0,106
9 16 (660) 16 (1000) 8 (140) 1800 14 0,129
Графически функции отклика представлены на рисунках 2 и 3.
(Хз = 8 мм)
При этом хотелось бы обратить внимание на имеющиеся неравномерности потоки слива воды по каналам (опыты 1, 5 и 9) при казалось бы, калиброванных отверстиях в каналах, которые остаются от выкручиваемых болтов-заглушек в пластилиновых пробках, вставленных в начале сливных каналов в переливные трубы.
Очевидно, такая неравномерность вызвана тем, что входные калиброванные отверстия в перепускных трубах находятся не на одном уровне, или под разными углами к горизонту, что влияет на количество сливаемой воды и скорость слива. Однако, для проведения уточняющих экспериментов по этому вопросу в лабораторных исследованиях необходимо использовать штанген или оптическое измерительное оборудование с точностью измерения отклонения оси каналов ±5°.
Результаты второй серии опытов для всех вариантов с одной перепускной трубой среднего диаметра представлены в табл. 2.
Таблица 2
Общие и частные количественные и временные показатели слива воды на лабораторной установке при одном обязательном канале среднего диаметра (Хз = 12 мм)
№ п/п Х1 Х2 Хз I Y1 время слива, с Y2 поток слива, л/с
10 8 (400) 8 (320) 12 (1080) 1800 18 0,100
11 12 (800) 8 (205) 12 (750) 1800 16 0,112
12 16 (1140) 8 (270) 12 (390) 1800 14 0,129
13 8 (130) 12 (860) 12 (810) 1800 16 0,112
14 12 (580) 12 (610) 12 (610) 1800 14 0,129
15 16 (710) 12 (570) 12 (520) 1800 13 0,138
16 8 (250) 16 (900) 12 (650) 1800 13 0,138
17 12 (540) 16 (670) 12 (590) 1800 12 0,150
18 16 (750) 16 (700) 12 (350) 1800 11 0,164
Графически величину потока и скорости слива для обязательных гофрированных каналов 0 12 мм можно представить на рисунках 4 и 5.
(Хз =12 мм)
Из представленных графиков на рис. 4 и 5 видно, что не происходит лавинного нарастания потока с увеличением калиброванных отверстий от болтов в пластилиновых пробках. Это, видимо, связано с тем, что оставшаяся в пробках резьба сдерживает движение воды. Хотя и несколько снижается время (1,37 раза) и возрастает величина потока (1,61 раза)
Результаты третьей серии опытов для всех вариантов с одной перепускной трубой большого диаметра представлены в табл. 3.
Таблица 3
Общие и частные количественные и временные показатели слива воды на лабораторной установке при одном обязательном канале большого диаметра (Хз = 16 мм)
№ п/п Х1 Х2 Хэ I Y1 время слива, с Y2 поток слива, л/с
19 8 (200) 8 (200) 16 (1400) 1800 12 0,150
20 12 (640) 8 (310) 16 (850) 1800 11 0,164
21 16 (850) 8 (150) 16 (800) 1800 10 0,180
22 8 (180) 12 (510) 16 (1110) 1800 10 0,180
23 12 (510) 12 (470) 16 (820) 1800 9 0,200
№ п/п Х1 Х2 Х3 I Y1 время слива, с Y2 поток слива, л/с
24 16 (750) 12 (350) 16 (700) 1800 8 0,225
25 8 (180) 16(780) 16 (840) 1800 8 0,225
26 12 (530) 16 (650) 16 (620) 1800 7 0,257
27 16 (800) 16 (650) 16 (700) 1800 6 0,300
Здесь в представленных графиках на рис. 6 и 7 так же не наблюдается крутого возрастания потока с увеличением 0 калиброванных отверстий от болтов в пластилиновых пробках. Данный эффект может быть также связан с падением выходного давления на каналах большего диаметра. Здесь также несколько снижается время (1,83 раза) и возрастает величина потока (1,83 раза). В данном случае при переходе со средних диаметров каналов на большие изменение времени и величины потока скоррелировалось и оказалось равным (1,83 раза).
В качестве выводов по статье можно отметить следующее:
1 - очень высокая неравномерность в поперечных значениях матриц равномерности образованных из значений объёмов слива таблиц 1, 2, 3, что показывает достоверность их при описании логарифмическими кривыми может достигать значения 0,43, что является очень низким и показывает скрытые дефекты установки;
2 - результаты экспериментов, полученные при проведении лабораторных исследований, показали, что наиболее оптимальными уравнениями, описывающими данный процесс, являются экспоненциальные или логарифмические.
В заключении, для дальнейших исследований, можно порекомендовать следующее, определить влияние малых каналов на время слива и величину потока, как функцию от диаметра каналов, их количества и величины напора.
(Хз =16 мм)
Литература
1. Ахметов Е. М., Асемов К. М., Жуматаева М. О. Исследование аварий на гидротехнических сооружениях и методы контроля их безопасности. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. No 4. - с. 70-82.
2. Кроличенко В.В. Методика оценки риска последствий аварий на гидротехнических сооружениях напорного типа с применением аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИГАиК, 2010 -24 с.
3. Арифуллин Е.З., Дьякова В.В. Оценка прогнозирования риска аварий гидротехнических сооружений. https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-prognozirovaniya-riska-avariy-gidrotehnicheskih-sooruzheniy.
4. "Методические рекомендации по оценке риска аварий гидротехнических сооружений водохранилищ и накопителей промышленных отходов" (согласовано МЧС РФ 14.08.2001 N 9-4/02-644). - М.: КонсультантПлюс, 2021. - 24 с.
5. Алтунин В.И. Гидравлические расчёты водопропускных труб на автомобильных дорогах: учеб. пособие / В.И. Алтунин, Т.А. Суэтина, О.Н. Черных. - М.: МАДИ, 2016. - 92 с.
6. Саксонова Е.С. Проектирование и строительство водопропускной трубы: учеб. пособие / Е.С. Саксонова. - Пенза: ПГУАС, 2013. - 104 с.
7. Логинова О.А. Методические указания к выполнению курсового проекта «Расчёты водопропускных сооружений» / О.А. Логинова. - Казань: КГАСУ, 2012. - 24 с.
8. Ушаков В.В. Строительство автомобильных дорог: учебник / коллектив авторов под ред. В.В. Ушакова и В.М. Ольховикова. - М., 2013. - 576 с.
9. Крашенинин Е.Ю. Рекомендации по применению водопропускных труб из полимерных композиционных материалов. Отраслевой дорожный методический документ / Е.Ю. Крашенинин, В.С. Шиковский, И.В. Никитин, Т.С. Парфенова. - Москва: РО-САВТОДОР, 2021. - 124 с.
10. Аверченко Г.А. Строительство водопропускных труб методом продавливания готовых звеньев в насыпь / Г.А. Аверченко, А.Д. Павленко, Е.А. Зорина, Д.Н. Набор-щикова. - С.-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2020. - 16 с.
Results of canal studies of dams with water bypass pipes Kushchev I.E., Morozova D.S.
Ryazan Institute (branch) of Moscow Polytechnic University
The article is devoted to laboratory experiments on the model of canal water flow through corrugated water pipes of automobile dams. In particular, channel uneven water flow depending on the diameter of the pipes, to prevent accidents on storage water dams. As a result of the study, the following conclusions were obtained: Very high non-uniformity in the transverse values of the uniformity matrices, which shows their reliability when described by logarithmic curves, which shows the hidden defects of the installation. The results of experiments obtained during laboratory studies showed that the most optimal equations describing this process are exponential or logarithmic. Keywords: culverts, water flow simulation, water discharge quantity, water discharge time References
1. Akhmetov E. M., Asemov K. M., Zhumataeva M. O. Research of accidents at hydraulic structures and methods of monitoring
their safety. Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of georesources. 2020. V. 331. No 4. - p. 70-82.
2. Krolichenko V.V. Methodology for assessing the risk of the consequences of accidents at hydrotechnical structures of pressure
type using aerogeodetic technologies for identifying their stability in extreme situations. Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences. M.: MIIGAiK, 2010 - 24 p.
3. Arifullin E.Z., Dyakova V.V. Estimation of predicting the risk of accidents in hydraulic structures. https://cyberleninka.ru/article/n7otsenka-prognozirovaniya-riska-avariy-gidrotehnicheskih-sooruzheniy.
4. "Methodological recommendations for assessing the risk of accidents in hydraulic structures of reservoirs and industrial waste
storage" (approved by the Ministry of Emergency Situations of the Russian Federation on August 14, 2001 N 9-4 / 02-644). -M.: ConsultantPlus, 2021. - 24 p.
5. Altunin V.I. Hydraulic calculations of culverts on auto-mobile roads: textbook. allowance / V.I. Altunin, T.A. Suetina, O.N. Black.
- M.: MADI, 2016. - 92 p.
6. Saxonova E.S. Design and construction of a culvert pipe: textbook. allowance / E.S. Saxon. - Penza: PGUAS, 2013. - 104 p.
7. Loginova O.A. Guidelines for the implementation of the course project "Calculation of culverts" / O.A. Loginova. - Kazan: KGASU,
2012. - 24 p.
8. Ushakov V.V. Construction of highways: textbook / team of authors, ed. V.V. Ushakov and V.M. Olkhovikov. - M., 2013. - 576 p.
9. Krasheninin E.Yu. Recommendations for the use of culverts made of polymer composite materials. Industry road methodological
document / E.Yu. Krasheninin, V.S. Shikovsky, I.V. Nikitin, T.S. Parfenov. - Moscow: ROSAVTODOR, 2021. - 124 p.
10. Averchenko G.A. Construction of culverts by pressing finished links into the embankment / G.A. Averchenko, A.D. Pavlenko,
E.A. Zorina, D.N. Naborshchikov. - St. Petersburg: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2020. - 16 p.
