Диссертация (1141493), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Размыв несвязных частиц грунтаПолученные данные по распределению скоростей и турбулентностиречныхпотоковмогутиспользоватьсядляинженерныхрасчетовспрогнозированием внутрирусловых процессов при решении различных задач,связанныхсгидротехническимстроительством,воднымхозяйствомигидроэкологией. В качестве примера рассмотрим определение критическойскорости для зернистых русловых грунтов.При теоретическом подходе к определению критической скорости принятаследующая схема механизма воздействия потока на твердую частицу, лежащуюна дне, представленная на рисунке 4.1.105Рисунок 4.1 - Схема воздействия потока на твердую частицуОбтекание частицы вызывает деформацию отрыв струй, над частицей и заней образуются вихревые зоны и возникает разность давлений на лобовую итыльную грани частицы, а также на нижнюю и верхнюю грани, которыесоответственно приводятся к лобовой силе Fл, действующей на переднюю граньпо направлению движения потока, и подъемной силе Fп, действующей нанижнюю грань частицы вертикально вверх.

На частицу, кроме того, действуютсила тяжести G и сила воздействия окружающих частиц грунта. Критическуюскорость, приводящую к размыву речного русла, традиционно связывают либо спредельной влекущей силой [136], либо с подъемной силой, возникающей приобтеканиипотокомверхнейповерхностичастицы, которые считаютсяшарообразными, со скоростью uk на вершинах зерен грунта.

Так если частица невыступает над остальными, а заклинена между ними, на нее действует лишьподъемная сила, и наоборот если отдельная частица грунта «возвышается» надостальными, на нее действует в основном лобовая сила и в меньшей мереподъемная сила. Данная схема взвешивания частиц представлена на рисунке 4.2.106Рисунок 4.2 - Схема взвешивания частиц донного грунтаВ первом случае подъемная сила в условиях покоящихся частиц грунтауравновешиваетсявесомчастицгрунта,силойсцеплениячастицсокружающими частицами грунта, а также гидростатической «пригрузкой»,которая возникает при условии «герметичного контакта» поверхностных частицс подстилающим слоем грунта.

Выполненный анализ сил сцепления, сиспользованием формулы Ц.Е.Мирцхулава для напряжения сцепления, показал,что эта сила становится соизмеримой с весом зерен грунта (за вычетомАрхимедовой силы) при крупности зерен менее 0,1 мм.Силы гидростатической «пригрузки» будут действовать лишь в пределахзон контакта зерна с окружающими его зернами грунта. В связи с малостьюсуммарной площади зон контакта для частиц зернистого грунта с крупностьюзерен около 1 мм сила гидростатической «пригрузки» оказывается малой посравнению с весом частиц. В этом случае, условие отрыва зерен донного грунтасвязывается только с соотношением подъемной силы Fп с силой веса G зеренгрунта (за вычетом Архимедовой силы).107Подъемная сила, возникающая при обтекании верхней поверхности зеренгрунта водным потоком связана с искривлением граничных линий тока и поаналогии с подъемной силой крылоного профиля может быть записана в виде:u к2 d 2FП  C П 2 4где(4.5)C П - коэффициент подъемной силы;d – диаметр зерен грунта;u к - скорость на вершине зерен грунта - плотность водыВес зерен грунта с плотностью  тв (за вычетом Архимедовой силы)запишется в виде:G= тв   gd 36(4.6)Осредненное значение скорости u к на вершине зерен грунта может бытьопределено с использованием логарифмического профиля скорости:u 1 z ln  8,48u*  k s,(4.7)справедливость которого для речных потоков была подтвержденаполученными натурными данными.При определении скорости u к с использованием (4.7) следует обратитьвнимание на положение плоскости отсчета вертикальной координаты z, котораясогласно опытам И.

Никурадзе в шероховатых трубах находится на половиневысоты зерен шероховатости. В этом случае для определения u к принимаетсяzks, подстановка которой в формулу (4.7) дает значение осредненной скорости2на вершине выступов шероховатости в режиме квадратичного сопротивления приu*d /  50, uк  6,75u* .108При этом условие взвешивания частиц донного несвязного грунтазапишется в виде:FП26,75u*  d 2d 3 G  CП   тв   g24(4.8)6В критическом состоянии подъемная сила уравновешивается весом частиц(за вычетом Архимедовой силы), при этом критическое значение донной скоростиопределяется следующим образом:u кр  gd4   тв 1 1,153 C П  тв gd 1  CП(4.9)Эта расчетная схема, однако, не учитывает пульсаций скорости, которые впридонной зоне имеют наибольшее значение.Используя ранее предложенную классификацию, с учетом турбулентныхпульсаций скорости, интенсивность которых в придонной области имеетнаибольшее значение, получаем:2ukp u x' u z' d 2d 2d 3CП  CП   тв   g2 4246где(4.10) - коэффициент, учитывающий вес квадранта.

Для условияпредельного равновесия частиц получаем уточненную формулу критическойнеразмывающей скорости с учетом турбулентности: gdu кр  1,15  тв  1  u x' u z'  CПДанныерасчетныхзначенийдопускаемых(4.11)донныхнеразмывающихскоростей, по формулам (4.9) и (4.11), представлены в таблице 4.1 и рисунке 4.3.Также для анализа полученных данных в таблице приведены расчетные значениядонных неразмывающих скоростей, полученные по формуле Ц.Е.

Мирцхулава[142]:u доп  1,252mн(  г р   0 )d  2C ун0,44 0 n(4.12)109нгде C ун - усталостная прочность несвязного грунта на разрыв, m=1,коэффициент условий работы, учитывающий (для каналов, прокладываемых внесвязных грунтах) влияние наносов в коллоидном состоянии на размывающуюспособность потока (при условии содержания глинистых частиц менее 0,1 кг/м3, иболее m>1), n – коэффициент перегрузки, учитывающий изменение размывающейспособности потока под влиянием пульсационного характера скоростей и другиеслучаи вероятного превышения нагрузок на частицы грунта над расчетнымизначениями; k – коэффициент, характеризующий вероятность отклонения силсцепления от среднего значения; значение этого коэффициента можно принятьравным 0,5.Усталостная прочность при этом приближенно определяется по формуле:нC ун 1,72 *10 4 d 1(4.13)Коэффициент перегрузкиn(u макс 2)u(4.14)где uмакс и u  максимальная мгновенная и осредненная (по времени)скорость на высоте выступов шероховатости.Таблица 4.1 - Расчетные значения допускаемых донных неразмывающихскоростейДиаметрчастицгрунта d,мм0,150,250,370,50,751,00Усталостнаяпрочность C(10-6), Па1,150,690,460,340,230,17нунДопускаемаянеразмывающаядонная скоростьпотока по 4.12(формуле Ц.Е.Мирцхулава), м/с0,10,110,120,130,160,17Допускаемаянеразмывающаядонная скоростьпотока по 4.9 безучета пульсацийскорости, м/с0,080,100,130,150,180,21Допускаемаянеразмывающаядонная скоростьпотока по 4.11 сучетом пульсацийскорости, м/с0,050,090,110,130,170,20110uкр, м/cd, ммРисунок 4.3 -Допускаемая неразмывающая донная скорость потока,1 – по формуле Ц.Е.

Мирцхулава (для несвязных грунтов);2 – по формуле (4.9) без учета пульсаций скорости;3 – по формуле (4.11) с учетом пульсаций скоростиАнализ графиков, представленных на рисунке 4.3 показал, что хорошаясходимость расчетных значений допускаемых донных неразмывающих скоростейсогласно нормативным источникам (по формуле Ц.Е. Мирцхулава) и собственныхрасчетов по формуле (4.11) наблюдается только при размерах частиц грунта d=0,40,7 мм (область II на рисунке 4.3). При размере частиц грунта d<0,4 мм (область Iна рисунке 4.3) учет турбулентности приводит к уменьшению допустимыхзначений неразмывающих донных скоростей на 20-50% по сравнению с даннымирасчетов по нормативным источникам.На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что на устойчивостьчастиц несвязного грунта (особенно при размере частиц грунта d<0,4 мм), в равноймере может влиять не только максимальная мгновенная скорость на высотевыступа шероховатости, но и пульсации скорости, что в итоге приводит к111снижению уровня допускаемой неразмывающей донной скорости потока.

Какпример, предложенная методика учета турбулентности может быть использованадля более точного прогнозирования деформаций русел в нижних бьефахгидроузлов.4.1.2 Процесс деформации русла под действием касательной силы у дна внижнем бьефеОдним из возможных результатов изменения режима движения потока внижнем бьефе являются деформации (размыв) русла, которые могут оказыватьвлияние на устойчивость как всего гидроузла в целом, так и на его отдельныеэлементы. Деформации русла в нижнем бьефе в большей степени определяютсянеоднородностью сбросного потока (по времени) и его турбулентностью.Рассмотрим расчет критической неразмывающей средней скорости с учетомтурбулентности. На рисунке 4.4 представлена один из типов сопряжения бьефовпри помощи отогнанного гидравлического прыжка.Рисунок 4.4 - Схема сопряжения бьефов с помощью отогнанногогидравлического прыжка112На схеме, представленной на рисунке 4.4 сечение 1-1 соответствует сжатойглубине и h1=hc, сечение 2-2 соответствует первой сопряженной глубинеотогнанного прыжка h2, которая в свою очередь сопряжена с глубиной h3=hб(сечение 3-3).Деформация сдвига проявляется в виде сдвига отдельно скользящих понеподвижному основанию, а также и в виде сложного перемещения несвязногогрунтового массива (например, песка) слагающего русло.Как говорилось выше, в п.

4.1.1. в случае, когда отдельная частица грунта«возвышается» над остальными, на нее действуют в основном силы влечения(касательные силы) и силы трения. Касательное усилие может вызвать как сдвигтвердых частиц, так и их вращение. Такая схема взвешивания частиц представленана рисунке 4.5.Рисунок 4.5 - Схема взвешивания частиц донного грунтаВерхние слои в своем движении увлекают ниже лежащие, которые увлекаютследующие за ними слои несвязного грунта и т.д. Зависимость размеров113смещаемых массивов грунта от величины касательного усилия определяется изусловия предельного равновесияTF(4.15)где T - касательные усилия, F - сила трения.Предусматривая для примера несвязные частицы грунта в форме кубаобъемом W = a3 можем написатьa 2  fa3 ( тв   0 )(4.16)где f - коэффициент трения скольжения,  тв и  0 - объемные веса частицгрунта и воды, а - ребро куба.Учитывая, что основной формулой для вычисления касательного напряжения(силы влечения) является формула КрейтераF  SRi(4.17)Тогда для касательного напряжения  Ri  R2С2R2С2(4.18)или  2n2R2y(n) 23h(4.19)Формула (4.17) является прямым следствием основного уравненияравномерного движения.Подставив (4.19) в левую часть (4.16) получим условие предельногоравновесия:(n) 23h af ( тв   0 )(4.20)Формула (4.20) предельного равновесия на сдвиг позволяет определитьпредельную среднюю скорость потока, при которой не происходит размыва:1af ( тв  1)3 hn0(4.21)114где n – коэффициент шероховатости.Выражение (4.21) не учитывает пульсаций касательного напряжения,которыевпридоннойзоненеобходимоучитыватьдляопределениядопускаемого значения средней (по сечению) скорости при которой непроисходит размыва русла.Используяранеепредложеннуюклассификацию,учитываявесаквадрантов, получаем следующее условие предельного равновесия:(n) 23h  u x' u z'  af ( тв   0 )(4.22)где  -коэффициент, учитывающий пульсации касательных напряжений.Для условия предельного равновесия частиц получаем уточненную формулукритической неразмывающей средней скорости с учетом турбулентности:кр 1(af ( тв  1)  u x' u z' )3 hn00(4.23)В соответствии со схемой, представленной на рисунке 4.4, используя (4.22) и(4.23) можно определить размеры смещаемых массивов грунта от величиныкасательного усилия в характерных сечениях 1-1, 2-2, 3-3 с учетом турбулентности. (1n) 21 0 1 u x' u z' a11 3 hf ( тв   0 ) с ( 2 n) 21 0  2 u x' u z' a 2  2 3 hf ( тв   0 ) 2 ( 2 n) 21a ' ' uu3 x z 33 f (   )  0 3 hтв0б(4.24)Предложив таким образом формулу для определения размеры смещаемыхмассивов грунта касательного усилия на дне русла в пределах гидравлическогопрыжка мы получаем возможность более уточненного рассмотрения теориигидравлического прыжка с учетом турбулентности.

Характеристики

Список файлов диссертации