Состав проекта капитальной дноуглубительной прорези

Проект капитальной дноуглубительной прорези содержит следующие основные разделы:

– анализ руслового процесса на перекате;

– анализ условий судоходства;

– выбор трассы капитальной прорези;

– гидравлические расчеты;

– подсчеты объемов землечерпательных работ;

– организация дноуглубительных работ.

В состав исходных данных входят:

– планы переката за многолетний период;

– последняя съемка переката с прилегающими плесовыми лощинами и указанным положением пойменных бровок;

– сведения о глубинах судового хода на перекате за последние 5-10 лет;

– сведения об объемах дноуглубительных работ за эти же годы;

– кривая расходов воды по ближайшему гидрологическому посту;

– материалы русловых исследований переката (данные нивелировок свободной поверхности, поплавочные наблюдения, расходы воды, расходы наносов, пробы донных отложений).

Выполняется анализ планового материала за многолетний период. Его изучение дает возможность выявить общую тенденцию развития руслового процесса на участке, установить характер и интенсивность деформаций. На этой основе осуществляется выбор трассы проектируемой капитальной прорези. При выборе окончательного варианта прорези принимают во внимание удобство прорези для судоходства, степень ее устойчивости и объем извлекаемого грунта.

Для того чтобы составить прогноз деформаций прорези, необходимо знать распределение в ней скоростей течения. Оно связано с полем скоростей за кромками прорези, и, таким образом, для выполнения анализа нужно иметь поле скоростей течения в зоне влияния прорези при расчетном уровне воды. Поле скоростей течения на участке реки может быть построено с использованием нескольких различных подходов. При этом можно прибегнуть к гидравлическому или аэродинамическому моделированию. Однако более часто в проектной практике используются расчетные методы, основанные на различных методиках расчета.

При неплавно изменяющемся движении воды в расчетной практике применяются методы численного решения уравнений движения с учетом конвективных ускорений. На практике все большее применение на практике находят численные методы решения уравнений гидравлики, основанные на использовании метода конечных элементов. Наиболее эффективные алгоритмы и программы, применимые для решения задач речной гидравлики, были разработаны в Вычислительном центре РАН авторами
А.Н. Милитеевым и В.В. Беликовым.

При переходе к плавно изменяющемуся движению воды в реке силы инерции могут быть отброшены. Основанный на этих допущениях приближенный метод расчета получил название метода плоских сечений
М.А. Великанова.

Способ построения плана течений, предложенный М.А. Великановым, основан на использовании формулы Шези. Исходная зависимость для определения значений элементарного расхода воды на вертикалях записывается в следующем виде

, (3.5)

где: – постоянная величина для данного поперечного сечения;

I – продольный уклон свободной поверхности;

C – коэффициент Шези;

h – глубина потока на вертикали.

Полный расход воды Q, проходящий через поперечное сечение шириной B, выражается интегралом

, (3.6)

Величина k определяется, как отношение заданного расхода воды в реке, к величине интеграла

, (3.7)

План течения на перекате строится при рабочем уровне дноуглубления Z_раб. для бытового и проектного (с учетом прорези и отвала) состояний русла. Результаты построения показаны графически на рис. 3.6.

Некоторые простые задачи неплавно изменяющегося движения, например, построение плана течений на перекате с затонской частью, могут быть решены с использованием модифицированного метода плоских сечений, известного под названием метода фрагментов, предложенного К.В. Гришаниным.

Капитальная прорезь обычно оказывается расположенной в границах одной – двух плановых струй. Об устойчивости прорези можно судить, рассчитав начальные скорости деформаций дна в пределах этих струй. Предварительное заключение об устойчивости прорези состоит в следующем. По результатам выполненных расчетов строятся совмещенные графики изменения средней и неразмывающей скоростей течения по длине струи в виде V_стр=V_стр(l), V_нр=V_нр(l), и V_разм=V_разм(l), (рис. 3.7).

Если на графике средняя скорость в струе по длине прорези окажется больше величины неразмывающей скорости, то это значит, что в границах прорези имеет место перемещение наносов.

Рис. 3.6. Графическое распределение расхода воды по ширине реки

Рис. 3.7. Графики изменения скоростей течения (а)

и начальной скорости деформаций (б) по длине струи

Если при этом величина производной от изменения средней скорости в струе возрастает по ее длине ¶V_стр/¶l³0, то в прорези будут наблюдаться деформации размыва дна. И, наоборот, если скорость уменьшается по длине струи, то в границах прорези будет происходить отложение наносов. Если средняя скорость в струе окажется меньше неразмывающей, то считается, что движения русловых наносов в полосе прорези нет. При этом, однако, не исключается отложение в полосе прорези части взвешенных наносов, поступающих с вышерасположенного участка.

Расчет начальной скорости деформаций в полосе капитальной прорези выполняется на основе баланса наносов. Уравнение деформаций в конечно–разностной записи имеет вид

(3.8)

где: DQ_s = DQ_s,i–DQ_s,i+1 – приращение расхода влекомых наносов;

(В_стр)_ср = (В_стр,i+В_стр,i+1)/2 – средняя на участке ширина струи;

DZ_¶ – приращение отметки дна;

Dl – длина расчетного участка;

Dt – расчетный интервал времени;

e – пористость грунта (для песка e = 0.4).

Значения расхода влекомых наносов в расчетных сечениях струй вычисляются по формуле К.В. Гришанина

. (3.9)

Вычисляется начальная скорость деформаций. При этом начальную скорость повышения или понижения высоты дна в пределах каждого расчетного участка находят по формуле

. (3.10)

При этом величина x_нач получает тот же знак, что и величина DQ_s.

Если сечения пронумерованы сверху вниз, то положительным величинам DQ_s и x_нач отвечают деформации намыва, а отрицательным – деформации размыва дна прорези. По результатам выполненных расчетов строят график изменения скорости начальной деформации по длине струи x_нач=x_нач(l), который располагают под графиком изменения скоростей (см. рис. 3.7). Полученные данные позволяют сделать окончательный вывод об устойчивости запроектированной прорези.

В случаях, когда капитальная прорезь имеет большую длину и сечение выемки сопоставимо с площадью живого сечения реки, дополнительно выполняют расчеты отметок свободной поверхности на участке с тем, чтобы оценить влияние дноуглубительной прорези и отвала грунта на положение уровней воды. При необходимости, в дальнейшем следует наметить мероприятия по предотвращению возможного снижения уровней воды в зоне влияния капитальных дноуглубительных работ.

2.5. Гидравлические расчеты
выправительных сооружений

Основные разделы расчетного обоснования выправительных сооружений, проектируемых для обеспечения судоходных условий на свободных реках были разработаны по материалам теоретических, экспериментальных и натурных исследований, выполненных в научно–исследова–тельских и учебных заведениях водного транспорта.