Заносимость эксплуатационных прорезей

Прорези, разработанные в несвязных грунтах, с течением времени подвергаются заносимости. Это естественный процесс, который обусловлен движением наносов. Технология разработки прорезей землесосными снарядами такова, что прорези оказываются переуглубленными на 0.7-0.8 м. Для создания запаса на заносимость прорези часто переуглубляют еще больше. После окончания работ на дне прорези формируются гряды и транзитная глубина уменьшается. На больших реках высота гряд в прорезях может составлять 0.3-0.7 м, а потеря глубины – соответственно 0.15-0.35 м, т.е. не превышает половины величины технологического переуглубления. На большинстве прорезей одновременно с образованием гряд начинается отложение насосов. Если этот процесс идет медленно, то емкость переуглубления оказывается достаточной для аккумуляции наносов, и повторных разработок прорези в данную навигацию не требуется. На реках с интенсивным движением наносов повторными разработками бывает охвачено от половины до двух третей всего количества прорезей.

Главные причины заносимости прорезей – это недостаточная транспортирующая способность потока в прорези и уполаживание (оползание) ее боковых откосов. Кроме этого, прорезь может заноситься под действием факторов естественного руслового процесса. К ним относятся: общее уменьшение скоростей течения на перекатах в расширяющемся русле, надвижение на прорезь крупных русловых форм (побочня, осередка и т.д.). Так как эти явления в межень относительно редки, рассмотрим здесь подробно лишь факторы заносимости, связанные с устройством прорези.

Наблюдения показывают, что если ширина прорези составляет не более 20-25% ширины русла, то скорость течения в прорези мало отличается от скорости, которая была на полосе прорези до ее выполнения. Это значит, что расход воды в прорези увеличивается по сравнению с бытовым расходом на ее полосе пропорционально увеличению глубин

.

Другой момент, который нужно учитывать при рассмотрении явления заносимости прорези, связан с тем, что в результате привлечения расхода воды в пользу прорези со стороны боковых откосов на акваторию прорези начинает поступать больший объем грунта, чем это было до ее разработки. Другими словами, в прорезь поступает сток наносов с полосы, большей, чем ее ширина. Ввиду того, что транспортирующая способность потока в полосе прорези уменьшается по сравнению с ее бытовым значением, часть грунта, поступающего в прорезь со стороны боковых откосов, остается на дне и приводит к повышению его отметок.

Способность потока транспортировать наносы определяется значением касательного напряжения на дне, т.е. значением динамической скорости . На основании имеющихся формул расходов наносов можно считать, что эта способность пропорциональна . Таким образом, чтобы поток в прорези мог нести все наносы, поступающие в нее сверху, необходимо соблюдение неравенства

, или . (4.5)

Между тем, вызванное дноуглублением увеличение площади поперечных сечений приводит к некоторому уменьшению средней скорости течения на перекате. Кроме этого, в связи с привлечением расхода воды в пользу судоходной прорези, скорости течения за ее кромками могут значительно уменьшиться. Результатом этого является общее уменьшение уклона свободной поверхности на перекате, и, если неравенство (4.5) оказывается нарушенным, то в прорези происходит отложение наносов. Сначала вал отложений образуется на верхнем конце прорези, а затем он распространяется вниз по течению.

Такие явления встречаются далеко не всегда, а заносимость, обусловленная уполаживанием откосов, имеет всеобщий характер - она происходит во всех прорезях, выполненных в несвязном грунте. Непосредственно после окончания работы дноуглубительного снаряда углы боковых откосов α бывают примерно равными углу естественного откоса грунта под водой: . Для песка (в среднем) коэффициент такого откоса составляет . Однако затем угол заложения откоса прорези начинает уменьшаться, сначала быстро, затем медленнее, и через один-два месяца значение коэффициента m возрастает до 20-30. Грунт, сползающий с откосов, поступает в прорезь, ограничивая ее полезную ширину и глубину.

Причина уполаживания откосов заключается в уменьшении устойчивости ча­стиц грунта на откосе прорези. Частица, лежащая на горизонтальной поверхности, оказывается прижатой к дну силой своего избыточного веса . К откосу прорези она прижимается составляющей этой силы, равной (см. рис. 4.7). Поэтому частицы, лежащие на откосе прорези, легче приходят в движение, чем частицы, лежащие на дне (скорость течения на откосах и на дне прорези почти одна и та же). Выйдя из состояния покоя, частица под действием составляющей силы веса , направленной по откосу, начинает смещаться вниз и после ряда подвижек оказывается у подошвы откоса.

Рис. 4.7. Движение частиц грунта на откосе прорези

Все частицы грунта, движущиеся по откосу, неизбежно следуют этому пути. По мере уполаживания откоса (уменьшения угла ) сила уменьшается и процесс уполаживания затухает, но теоретически он не прекратится полностью, пока дно на участке прорези не восстановит свою первоначальную форму. Разумеется, практика дноуглубления не допускает такого финала. Как только грунт, сползший с откосов, начинает ограничивать судоходную глубину в прорези, выполняется ее повторная разработка.

Оба процесса заносимости, т.е. недостаток транспортирующей способности потока и уполаживание откосов, имеют две общие черты: их начальная интенсивность пропорциональна толщине снятого слоя грунта и оба они с течением времени (по мере заполнения прорези грунтом) затухают. Поэтому можно считать, что рост слоя отложений во времени подчиняется некоторому универсальному закону. Это предположение подтверждается исследованиями К.В. Гришанина (рис. 4.8) о заносимости эксплуатационных прорезей на реках Вычегде и Северной Двине.

Рис. 4.8. График роста относительного слоя отложений

в интенсивно заносимых прорезях рек Северной Двины (1) и Вычегды (2)

На рис. 4.8 по оси абсцисс отложено время Т после разработки прорезей, в сутках, а по оси ординат – отношение средней толщины слоя отложений в прорези h_отл к средней толщине снятого слоя грунта h_с. Точки отвечают осредненным данным по перекатам, на которых впоследствии производились повторные работы. Проведенные на рисунке кривые описываются уравнением

, (4.6)

где: х = h_отл/h_сн – относительная толщина слоя отложений;

k – коэффициент, представляющий собой время, сут, за которое прорезь заносится на 0,56 h_сн.

Описание хода процесса заносимости по этой зависимости согласуется с физической картиной, наблюдаемой в реальных условиях. Потеря глубины в прорези происходит относительно быстро в начальный период после ее разработки и затухает с течением времени. Затухание процесса отложения наносов идет по показательному закону. Для прорезей на р. Северной Двине k = 6 сут, для прорезей на р. Вычегде k = 4,5 сут. Речь идет об осредненной картине занесения прорезей и у отдельных прорезей значения k могут существенно отклоняться от приведенных.

Было установлено также наличие поперечного баланса наносов в сечении прорези, что косвенно свидетельствует о преобладающей роли уполаживания откосов при ее заполнении наносами. Позднее, на этой основе А.М. Лавыгин и М.В. Журавлев получили приближенные аналитические решения, дающие описание изменения отметок дна в сечении прорези для прямолинейного участка и на повороте русла.

Приведенный анализ факторов процесса занесения эксплуатационных землечерпательных прорезей, по сути, предопределяет возможные пути снижения его интенсивности. Вообще говоря, их не так много.

На практике, для снижения повторности дноуглубительных работ, обычно применяют дополнительное переуглубление прорезей – так называемый запас на заносимость. Эффективность этого способа относительно невелика, так как толщина слоя отложений прямо пропорциональна толщине снятого слоя грунта, и в ряде случаев, время, затрачиваемое землесосом на разработку емкости переуглубления, может оказаться больше времени заполнения этой емкости. Переуглубление прорези считается оправданным, если время t_nep, затраченное на него дноуглубительным снарядом, меньше времени t₃, за которое емкость переуглубления будет заполнена наносами: t_пер < t_з. Этому неравенству удовлетворить тем легче, чем больше производительность снаряда. Эффективность переуглубления можно характеризовать отношением t₃/t_пер.

Гришаниным были получены практические рекомендации, согласно которым можно устанавливать ориентировочные пределы переуглубления в зависимости от производительности земснарядов и полезной толщины снимаемого слоя на перекате. Расчеты показывают, что с ростом толщины слоя переуглубления это отношение сначала увеличивается, а затем принимает постоянное значение - разное для прорезей различной площади и для снарядов разной производительности. Переход к постоянному значению t₃/t_nep происходит при толщинах слоя переуглубления 1.2-1.5 м. Эти значения можно рассматривать как допустимый верхний предел переуглубления судоходных прорезей.

Результаты выполненных расчетов показали также, что добавочное уширение прорези еще менее эффективно, чем переуглубление, и не может быть рекомендовано в качестве средства для снижения интенсивности заносимости дноуглубительной прорези.

В этом смысле, более эффективным может оказаться метод, основанный на дополнительном переуглублении крайних траншей прорези. Такие эксперименты проводились в натурных условиях в 50-е годы и дали обнадеживающие результаты. Однако на практике до настоящего времени этот метод широкого распространения не получил.

Выше уже упоминалась возможность повысить устойчивость прорези с помощью рационально уложенного отвала грунта (исследования М.В. Григорьева). Такое решение видится рациональным, однако, применять его следует, по-видимому, в сочетании с переуглублением крайних траншей. Для разработки практических рекомендаций по использованию последних двух методов необходимо проведение дополнительных исследований.