Автореферат (1151668), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

где – длина пути насыщения потока наносами до транспортирующей способности, м; – средняя скорость потока, м/с; глубина потока, м; – взвешивающая скорость потока, м/с; – наибольшая гидравлическая крупность насыщающих поток наносов, м/с.

Рекомендованные А.Г.Хачатряном (1973) и Х.Ш.Шапиро (1983) зависимости носят частный (региональный) характер, поскольку основаны на использовании данных полученных при изучении р. Амударьи. Несомненным преимуществом этого подхода является учет сдерживающего влияния отмостки на скорость и величину русловых деформаций. Тем не менее, авторы ограничились изучением отдельных аспектов процесса размыва и образования отмостки, не уделив должного внимания вопросу искусственного формирования отмостки, как инженерному средству защиты речного русла от деформаций в нижнем бьефе.

Анализ приведенных выше подходов к решению проблемы русловых деформаций показал, что основанные на разности весовых расходов наносов методы расчета имеют ограниченное применение; это обусловлено сложностью определения расходов наносов в различные фазы водного режима и неопределенностью эмпирических коэффициентов в формулах типа:

, (5)

где , – эмпирические коэффициенты; – весовой расход наносов, кг/м³; – средняя скорость потока, м/с.

В развитие изложенных выше методов нами были получены уравнения интенсивности размыва ложа и берегов русел, учитывающие транспортирующую способность водного потока и длину пути насыщения его наносами различных фракций, которые имеют вид:

(6) (7)

где ΔZ - средняя глубина размыва на участке за счет выноса всех фракций грунта, м; Q - расход, соответствующий интервалу времени Δt, м³/с; ρ_Тi и ρ_0i - транспортирующая способность и мутность потока в отношении фракции i в входном створе, соответственно, кг/м³; γ_Нi - удельный вес наносов i-ой фракции, кг/м³; z – высота бровки русла относительно линии дна, м; Н - средняя глубина на участке, м; l_npi - длина пути насыщения, м; η_i, - коэффициент, характеризующий отношение скоростей насыщения потока продуктами размыва дна и берегов; ΔВ - средняя ширина размыва, м.

Разработанный метод наиболее полно отражает физические процессы, происходящие при переформировании ложа русла.

Для расчета длины пути насыщения потока отдельной фракцией размываемого грунта нами предложена следующая зависимость:

, (8)

где – коэффициент, учитывающий разницу удельного содержания -той фракции в составе размываемого грунта и в составе наносов при полном насыщении ими потока; ρ_0i и ρ_Тi –мутность потока в начале расчетного участка и транспортирующая способность потока на расстоянии l_прi от входа на расчетный участок, кг/м³.

Все изложенные выше методы расчета были получены на основе одномерной модели движения руслового потока, которая позволяет определить осредненную по профилю деформацию русла. Однако рассчитанные осредненные значения деформации не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к прогнозным характеристикам, необходимым при проектировании гидротехнических сооружений, в частности, подводных переходов трубопроводов. Последнее обстоятельство указывает на необходимость перехода к созданию новых методов расчета русловых деформаций, основанных на уравнениях переноса взвешенных частиц, содержащих локальные гидродинамические характеристики.

В третьей главе дано теоретическое обоснование метода расчета локальных деформаций песчаного русла при насыщении потока взвешенными наносами различных фракций. В качестве исходного уравнения взято уравнение движения плоского стационарного потока (Таqqаrt W.С., Yermoli С.А., 1972):

, (9)

где - плотность двухфазной жидкости, кг/м³; - объемная концентрация, кг/м³; - момент корреляции между продольной и вертикальной составляющей вектора пульсационной скорости, м²/с²; - ускорение силы тяжести, м/с²; - осредненное по объему сопротивление твердой фазы, кг/м²с².

Для сопротивления частиц i-ой фракции использовано выражение (Смолдырев А.Е., 1980):

, (10)

где - радиус частиц i-той фракции, м; - коэффициент динамической вязкости, кг·/мс; - скорость частиц i-той фракции, м/с; - скорость диффузии частиц i-той фракции, (м/с), определяемая из формулы (Смолдырев А.Е., 1980):

, (11)

где - коэффициент турбулентной вязкости для частиц i-той фракции, м²/с.

Используя данные экспериментальных исследований Л.А. Сажа и А.Б. Герштадта, выражение (10) было представлено в виде:

, (12)

где - скорость движения двухфазной жидкости, м/с.

При моделировании первого члена уравнения (9) были использованы:

- гипотеза Буссинеска - , где - коэффициент турбулентной вязкости для жидкой фазы;

- условие , где - коэффициент турбулентной вязкости для двухкомпонентной смеси; - глубина потока, м; - скорость трения, м/с;

- выражение: . (13)

Отметим, что для русловых потоков, в которых объемная концентрация твердых частиц мала, =

Параметр Г.В. Железнякова рассчитывается по формуле:

, (14)

; (15)

где - – безразмерный коэффициент Шези; – коэффициент Шези для вертикали, м^0,5/с.

Сомножитель , присутствующий в произведении уравнения (9), представим в конечных разностях:

, (16)

где – расстояние между створами потока со значениями мутности и , м.

Обозначим мутность, соответствующую транспортирующей способности потока , а величину мутности в граничном (входном) створе речного потока - . Тогда можно трактовать как расстояние, на котором речной поток достигает полного насыщения. Это расстояние Х.Ш. Шапиро предложил назвать длиной пути насыщения. Для определения длины пути насыщения плоского потока нами на основе схематизации движения взвешенных частиц от створа, где происходит размыв русла, до створа полного насыщения предложена следующая зависимость:

, (17)

где – длина пути насыщения потока частицами -той фракции грунта, м; – максимальная гидравлическая крупность взвешенных наносов (по Х.Ш.Шапиро, = , м/с) - гидравлическая крупность частиц -той фракции в составе размываемого грунта, м/с, К_i. – коэффициент равный отношению удельного содержания i-фракции в составах размываемого грунта и наносов при полном насыщении потока до транспортирующей способности.

Подставляя (17) и (12) в (9) получим:

. (18)

где w – объем жидкой фазы, проходящий в единицу времени через погонный метр живого сечения русла, м³.

Уравнение (18) позволяет рассчитать транспортирующую способность потока для -той фракции грунта.

Расчет величины является лишь первым шагом в схеме определения деформаций русла взвесенесущим потоком. Согласно представлениям Х.Ш. Шапиро (1983), главным условием размыва является наличие дефицита мутности потока, то есть положительной разности между предельной концентрацией взвешенных частиц, соответствующей транспортирующей способности потока, и их фактической концентрацией в потоке.

Второй шаг в алгоритме определения деформаций – это расчет максимальных деформаций по поперечному профилю русла. Как указывалось выше эту операцию можно выполнить, используя уравнения (6, 7). Однако, в результате расчета мы получим осредненную по поперечному профилю величину деформаций. Поэтому выведем новую формулу для вычисления локальных деформаций.

Для достижения этой цели перейдем в формуле (6) к локальным гидродинамическим характеристикам:

, (19)

где V_i – средняя скорость на i-ой вертикали, м/с; H_i – глубина на i-ой вертикали, м.

Подставляя выражение для расчета (4) в формулу (19) имеем: . (20)

Множитель с учетом формулы Х.Ш. Шапиро можно представить в виде произведения коэффициента диффузии частиц в вертикальном направлении на некоторый эмпирический коэффициент , значения которого были определены в работе на основании экспериментальных данных С.С. Медведева (1989 г.).

Анализ значений показал, что его среднее значение для двухфазных потоков в лабораторных лотках и не зависит от размера фракций. Таким образом, уравнение (19) для расчета локальных деформаций примет вид:

. (21)

Формула (21) по своей структуре совпадает с формулой А.Е. Смолдырева (11), однако гидродинамические характеристики, фигурирующие в этих зависимостях, различны. Кроме того, А.Е. Смолдырев получил формулу (11) из гипотетических соображений, а нами эта зависимость (21) получена на основе теоретического анализа и экспериментальных данных.

Проверка адекватности зависимостей, полученных теоретическим путем, выполнена по фактическим данным натурных исследований на Каракумском канале. На рис.1 в графическом виде представлена зависимость , где ; - деформация дна реки за счет выноса частиц -той фракции. Из анализа графика (рис.1) следует, что отличие расчетных и экспериментальных данных незначительно, Это подтверждает достоверность формул (6, 7 и 21).

Сравнение метода, предложенного в данной работе, с методами, разработанными А.В.Караушевым, И.Ф.Карасевым и Х.Ш.Шапиро, проводилось с использованием данных И.Ф.Карасева (1972), И.Г.Боголюбовой (1966), К.В.Разумихиной (1965), И.А.Долгова (2001), В.А.Дейса (2003).

Характеристики

Список файлов диссертации