Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ДЕФОРМАЦИИ РУСЛА ПРИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Гидроузел вносит существенное изменение в режим течения воды в реке на участках до и после сооружений. В водохранилище по мере уменьшения скорости течения воды с ростом глубины транспортируемые потоком наносы начинают выпадать (осаждаться) на дне, раскладываясь на убывающие по крупности фракции в направлении гидроузла. Этот процесс называется аккумуляцией наносов (твердого стока) в верхнем бьефе (более подробнее об этом см. гл. 25).

Стеснение речного потока в плане у водопропускных сооружений, увеличенные в сравнении с бытовыми, пропускаемые через гидроузел удельные расходы воды, осветление (освобождение от наносов) воды в водохранилище значительно повышают размывающую способность поступающего в нижний бьеф потока, интенсифицируют русловые процессы, ведут к переформированию русла. Различают два основных вида переформирования (трансформации) русла в нижнем бьефе: общие и местные размывы.

Общими размывами (трансформациями) называют изменения очертания дна и берегов реки на участках значительной протяженности; они ведут к изменениям уровневого режима, что проявляется в нарушении естественной бытовой связи расходов и уровней воды (УВ) в реке. Под местными размывами подразумевают изменения очертания русла на участках, примыкающих к креплению нижнего бьефа и влияющих на условия эксплуатации как крепления, ш и сооружения в целом.

Расчет переформирования (трансформации) русел рек в нижнем бьефе гидроузлов включает: прогноз понижения уровней воды вследствие общего размыва; определение параметров ямы (воронки) местного размыва; расчет планового расширения потока и уточнение на его основе результатов расчета местного размыва.

Физика процесса размыва. Твердые частицы грунта, расположенные на дне русла, подвержены действию следующих сил: тяжести G, взвешивания А, лобовой F, подъемной Т и пульсационной Т, вызванной турбулентностью движущейся воды.

На лобовой части поверхности частицы, подверженной воздействию набегающего потока, возникает избыточное гидродинамическое давление, а на тыльной части поверхности наблюдается понижение давления вследствие отрыва потока от поверхности частицы и образования зоны отрыва. Горизонтальная составляющая равнодействующей гидродинамического давления по всей поверхности частицы представляет собой лобовую силу, величину которой определяют по известной формуле (2.6). Вертикальная составляющая равнодействующей гидродинамического давления является подъемной силой, которая вычисляется по аналогичной формуле


По исследованиям A.M. Дементьева [99], отношение подъемной силы к лобовой изменяется от 0,35 до 0,7 в зависимости от формы частицы и ее расположения по отношению к набегающему потоку. Росту подъемной силы способствует несимметричное обтекание потоком частиц, лежащих на дне.

При увеличении скорости потока (в паводок, при работе водопропускных сооружений) начинают расти лобовая и подъемная силы на наиболее выступающие над дном частицы, что приводит сначала к вибрации, а затем к их перекатыванию и переносу в виде скачков под действием проходящих турбулентных вихрей. Скорость, при достижении которой отмечается начало процесса движения частиц, называют неразмывающей скоростью и обозначают щ. При дальнейшем возрастании скорости потока наблюдается массовое движение наносов в придонном слое и образование на дне гряд или ряби, т. е. движение наносов переходит в состояние грядового перемещения. Еще большее увеличение скорости приводит к постепенному исчезновению гряд и транспортированию наносов путем взвешивания их потоком.

Для мелкозернистых, связных и скальных грунтов физика эрозионного процесса более сложна, связана с усталостным разрушением грунта на отдельные агрегаты (блоки, отдельности), проникновением пульсаций давления в трещины, действием фильтрующей по трещинам и порам грунта воды.

Общий размыв русла реки. Поступающая в нижний бьеф осветленная (без наносов) вода, воздействуя на незащищенное дно и на берега, постепенно размывает русло, насыщаясь наносами, т. е. восстанавливая свою мутность и транспортирующую способность. В первоначальный период эксплуатации гидроузла интенсивная трансформация русла проявляется на участке непосредственно ниже крепления. Затем по мере увеличения глубины размыва деформации распространяются дальше вниз по течению. Так, за 10 лет эксплуатации Цимлянского гидроузла на Дону по этой причине уровень воды в нижнем бьефе понизился на 1,0 м [152].


Размыв русла в глубину прекращается, когда скорости течения уменьшаются в результате увеличения глубины потока до неразмывающих для данного грунта значений щ или поток вскрывает нижележащие слабо размываемые грунты. Если дно сложено из неоднородного грунта, то стабилизация размыва наступает в результате вымывания мелких частиц и образования отмостки из крупных частиц (процесс самоотмостки).

Прогноз изменения уровенного режима реки вследствие общего размыва дна и берегов необходим при расчетах общей устойчивости сооружений, фильтрации под сооружениями и в обход их, сопряжения бьефов и конструкций крепления нижнего бьефа, а также при обосновании высотного положения турбин и насосов, водозаборов, порогов судопропускных сооружений.

Местный размыв русла реки. У гидроузлов вследствие нарушения естественного гидравлического режима рек происходят местные размывы русел. В верхнем бьефе местные размывы могут происходить непосредственно перед понурами низконапорных сооружений (плотины, здания ГЭС), а в нижнем бьефе за креплением дна при выходе потока в незащищенное русло.

Имеются различные методы определения параметров местного размыва русел: К.И. Российского, B.C. Кнороза, Ц.Е. Мирцхулавы и других отечественных и зарубежных исследователей. Способы расчета размыва русла далеки от совершенства. Ниже используются в основном зависимости Б.И. Стуле ничникова, полученные с учетом критического рассмотрения многочисленных предшествующих работ с привлечением обширного экспериментального материала [65].

При глубине потока И, м, неразмывающая средняя скорость для несвязного неоднородного грунта со средним диаметром м, соответствующим 50% по кривой гранулометрического состава, может быть вычислена по формуле


По формуле (4.38) можно определить глубину потока в яме размыва и в случае связных грунтов [120], для которых неразмывающая скорость завнсш главным образом от удельного сцепления, коэффициента пористости ? н экивалентного диаметра с/э агрегатов, на которые распадается связный грунт (табл. 4.4). Принимая по формуле (4.38) вычисляют глубину размыва.


Неразмывающие скорости для скальных грунтов по нормам определяют в зависимости от временного сопротивления грунта сжатию (при изменении временного сопротивления в пределах 5100 МПа (501000 кгс/см2): скорость при глубине h=1 м изменяется практически линейно от 3 до 11 м/с. Но в то же время сопротивление скалы размыву зависит от размеров отдельностей, на которые разрушается скальный грунт под воздействием потока. При объеме отдельностей W их условный диаметр равен d3=lj6W /п и обычно меньше 1 м. Определяя по формулам (4.37) глубину размыва скальных грунтов, следует иметь в виду, что, рассматривая скальный грунт как бы состоящим из отдельностей определенного диаметра, не учитывают ни их действительные формы, ни те связи, которые существуют между ними.

При отбросе струи с трамплина (рис. 4.15, б) или при свободном падении струи (см. рис. 4.15, а) расчет ямы размыва можно вести по формуле (4.37), при этом произведение коэффициентов принимается на основании натурных данных:


Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

Экспертиза

на главную