Методика расчетов средних и средних на вертикалях скоростей русловых потоков, находящихся под воздействием пойменных потоков
|
Введение
1. Происхождение, классификация, и морфометрические характеристики речных пойм
1.1 Происхождение пойм
1.2 Типы речных пойм
2. Взаимодействие руслового и пойменного потоков
2.1. Общие положения
2.2. Лабораторные исследования
2.3. Натурные исследования процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков
2.4. Трансформация поля скоростей при взаимодействии руслового и пойменного потоков.
2.5. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на их транспортирующую способность
3. Описание модели и методика проведения экспериментов
3.1 Общие положения
3.2 Экспериментальная установка
3.3 Методика проведения экспериментов, приборы и оборудование
4. Типизация процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков
4.1 Общие положения
4.2. Лабораторные исследования влияния пойменного потока на расходы воды и средние скорости руслового потока
4.3 Анализ влияния пойменного потока на характер изменения средних скоростей на вертикалях руслового потока при изменении уровней воды
5. Учет влияния морфологии пойм и русел на средние скорости и сопротивления в русловой части потока
6. Результаты оценки методики расчётов, основанной на концепции равномерного движения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Происхождение, классификация, и морфометрические характеристики речных пойм
1.1 Происхождение пойм
1.2 Типы речных пойм
2. Взаимодействие руслового и пойменного потоков
2.1. Общие положения
2.2. Лабораторные исследования
2.3. Натурные исследования процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков
2.4. Трансформация поля скоростей при взаимодействии руслового и пойменного потоков.
2.5. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на их транспортирующую способность
3. Описание модели и методика проведения экспериментов
3.1 Общие положения
3.2 Экспериментальная установка
3.3 Методика проведения экспериментов, приборы и оборудование
4. Типизация процесса взаимодействия руслового и пойменного потоков
4.1 Общие положения
4.2. Лабораторные исследования влияния пойменного потока на расходы воды и средние скорости руслового потока
4.3 Анализ влияния пойменного потока на характер изменения средних скоростей на вертикалях руслового потока при изменении уровней воды
5. Учет влияния морфологии пойм и русел на средние скорости и сопротивления в русловой части потока
6. Результаты оценки методики расчётов, основанной на концепции равномерного движения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Установлено, что основной методикой расчётов средних на вертикалях скоростей русловых потоков является методика, основанная на теории равномерного движения, т.е. по формуле Шези-Маннинга. Доказано, что при её применении к русловым составляющим потоков при их взаимодействии с пойменными, погрешности расчётов могут достигать нескольких сотен процентов. Рекомендована корректировка этой методики на основе учёта влияния эффекта взаимодействия потоков, в частности в виде зависимости погрешностей расчётов от угла а.
Средняя на вертикали скорость, эффект взаимодействия потоков, методика, формула Шези, угол а, русловая составляющая, погрешность расчётов.
Сведения о средних на вертикалях скоростях речных потоков являются востребованными при проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений. В частности, они особенно необходимы при проектировании мостовых переходов для расчётов заглубления мостовых опор. От точности и надёжности расчётных значений средних на вертикалях скоростей, особенно в русловых частях руслопойменных потоков, напрямую зависит надёжность и стоимость строительства мостовых переходов.
Для беспойменных створов расчёт средних на вертикалях скоростей русловых потоков рекомендуется осуществлять по методике, разработанной А.В. Караушевым[13], основанной на применении формулы Шези-Маннинга или любой другой близкой к ней формулы степенного вида (Павловского, Форгеймера и др.). Эта методика довольно простая и основана на допущении о равномерном движении воды русловых потоков.
Значительно сложнее проблема расчётов средних на вертикалях скоростей русловых потоков, являющихся составной частью руслопойменных потоков, находящихся под интенсивным воздействием пойменных потоков. В этом случае необходимо учитывать, возникающий при этом эффект взаимодействия русловых и пойменных потоков, который, в зависимости от особенностей морфологического строения расчётного участка, на котором расположен расчётный створ, определяет характер изменения скоростей руслового потока при увеличении уровней воды.
На основе анализа натурной информации в РГГМУ [6] была разработана типизация процессов взаимодействия русловых и пойменных потоков. В её основу положено взаимное расположение динамических осей взаимодействующих потоков.
Не останавливаясь на детальном анализе этой типизации, отметим лишь, что она разработана для стационарных условий. Натурные руслопойменные потоки в периоды пропусков паводков и половодий по затопленным поймам, являются нестационарными, более того с переменным по длине расходом воды. Однако данная типизация вполне может быть применена и к натурным русловым потокам при их взаимодействии с потоками поймы. Так при подъёме уровней, когда по меткому выражению М.А. Великанова "вода по руслу бежит быстрее чем по пойме", массы жидкости руслового потока поступают на пойму, процесс взаимодействия таких потоков аналогичен второму типу. При этом значительно увеличиваются уклоны водной поверхности и скорости русловой составляющей потоков, а также пропускная способность русел.
На спаде паводков и половодий наблюдается противоположный процесс, а именно массы пойменного потока, вторгаясь в русловой поток, создают подпор, что приводит к уменьшению скоростей последнего и, как следствие, к уменьшению пропускной способности русла, т.е. процесс аналогичный третьему типу взаимодействия потоков. Таким образом, эти процессы полностью соответствуют двум типам взаимодействия потоков. Действительно, процессы, происходящие в периоды подъёма уровней, соответствуют второму типу взаимодействия потоков, а спад уровней третьему типу.
Исходя из этого, на основе натурной информации о максимальных расходах воды на реках РФ были отобраны данные измерений по 14 рекам, на восьми из которых процесс взаимодействия русловых и пойменных потоков осуществлялся по третьему типу. На двух - по пятому и на пяти по второму.
Средняя на вертикали скорость, эффект взаимодействия потоков, методика, формула Шези, угол а, русловая составляющая, погрешность расчётов.
Сведения о средних на вертикалях скоростях речных потоков являются востребованными при проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений. В частности, они особенно необходимы при проектировании мостовых переходов для расчётов заглубления мостовых опор. От точности и надёжности расчётных значений средних на вертикалях скоростей, особенно в русловых частях руслопойменных потоков, напрямую зависит надёжность и стоимость строительства мостовых переходов.
Для беспойменных створов расчёт средних на вертикалях скоростей русловых потоков рекомендуется осуществлять по методике, разработанной А.В. Караушевым[13], основанной на применении формулы Шези-Маннинга или любой другой близкой к ней формулы степенного вида (Павловского, Форгеймера и др.). Эта методика довольно простая и основана на допущении о равномерном движении воды русловых потоков.
Значительно сложнее проблема расчётов средних на вертикалях скоростей русловых потоков, являющихся составной частью руслопойменных потоков, находящихся под интенсивным воздействием пойменных потоков. В этом случае необходимо учитывать, возникающий при этом эффект взаимодействия русловых и пойменных потоков, который, в зависимости от особенностей морфологического строения расчётного участка, на котором расположен расчётный створ, определяет характер изменения скоростей руслового потока при увеличении уровней воды.
На основе анализа натурной информации в РГГМУ [6] была разработана типизация процессов взаимодействия русловых и пойменных потоков. В её основу положено взаимное расположение динамических осей взаимодействующих потоков.
Не останавливаясь на детальном анализе этой типизации, отметим лишь, что она разработана для стационарных условий. Натурные руслопойменные потоки в периоды пропусков паводков и половодий по затопленным поймам, являются нестационарными, более того с переменным по длине расходом воды. Однако данная типизация вполне может быть применена и к натурным русловым потокам при их взаимодействии с потоками поймы. Так при подъёме уровней, когда по меткому выражению М.А. Великанова "вода по руслу бежит быстрее чем по пойме", массы жидкости руслового потока поступают на пойму, процесс взаимодействия таких потоков аналогичен второму типу. При этом значительно увеличиваются уклоны водной поверхности и скорости русловой составляющей потоков, а также пропускная способность русел.
На спаде паводков и половодий наблюдается противоположный процесс, а именно массы пойменного потока, вторгаясь в русловой поток, создают подпор, что приводит к уменьшению скоростей последнего и, как следствие, к уменьшению пропускной способности русла, т.е. процесс аналогичный третьему типу взаимодействия потоков. Таким образом, эти процессы полностью соответствуют двум типам взаимодействия потоков. Действительно, процессы, происходящие в периоды подъёма уровней, соответствуют второму типу взаимодействия потоков, а спад уровней третьему типу.
Исходя из этого, на основе натурной информации о максимальных расходах воды на реках РФ были отобраны данные измерений по 14 рекам, на восьми из которых процесс взаимодействия русловых и пойменных потоков осуществлялся по третьему типу. На двух - по пятому и на пяти по второму.
Анализ информации, приведённой в таблице 6.5 и на рисунках 6.8 и 6.9 позволяет сделать следующие выводы и рекомендации:
-погрешности расчётов по рекомендуемой методики, основанной на методике Караушева [7] при третьем типе взаимодействия потоков почти на порядок больше, чем при втором типе;
-исходя из этого, целесообразно располагать морфостворы на участках, ниже которых происходит расширение пойм.
В тоже время необходимо отметить отсутствие натурной информации о скоростях в параллельных русловых и пойменных потоках. Это не позволяет вывести полученные зависимости на нулевую отметку.
Действительно, как показал анализ лабораторных данных, при параллельных потоках необходимо вводить в качестве третьего фактора глубину, что возможно только при наличии натурной информации.
Проведённый анализ и расчёты позволяют сделать следующие выводы и предложения:
-проблема гидравлических сопротивлений движению русловых потоков, к сожалению, ещё далека от решения. Особенно острой она является для расчётов сопротивлений русел сложных форм сечения, в частности, русел с поймами;
- необходимо повышать качество натурной информации особенно на пойменных створах;
- наиболее перспективным направлением исследований в области гидравлических сопротивлений в настоящее время является совершенствование таблиц для определения коэффициентов шероховатости, посредством введения в них параметров, учитывающих влияние глубин, формы сечения русел и других. На пойменных створах необходим учёт влияния эффекта взаимодействия потоков, в частности, с помощью угла а;
- необходима дополнительная натурная и лабораторная информация
для уточнения положения расчётной зависимости при втором типе взаимодействия русловых и пойменных потоков;
- необходимо дальнейшее совершенствование методики расчётов средних на вертикалях скоростей русловых составляющих потоков, в частности, за счёт учёта эффекта взаимодействия при других его типах.
-погрешности расчётов по рекомендуемой методики, основанной на методике Караушева [7] при третьем типе взаимодействия потоков почти на порядок больше, чем при втором типе;
-исходя из этого, целесообразно располагать морфостворы на участках, ниже которых происходит расширение пойм.
В тоже время необходимо отметить отсутствие натурной информации о скоростях в параллельных русловых и пойменных потоках. Это не позволяет вывести полученные зависимости на нулевую отметку.
Действительно, как показал анализ лабораторных данных, при параллельных потоках необходимо вводить в качестве третьего фактора глубину, что возможно только при наличии натурной информации.
Проведённый анализ и расчёты позволяют сделать следующие выводы и предложения:
-проблема гидравлических сопротивлений движению русловых потоков, к сожалению, ещё далека от решения. Особенно острой она является для расчётов сопротивлений русел сложных форм сечения, в частности, русел с поймами;
- необходимо повышать качество натурной информации особенно на пойменных створах;
- наиболее перспективным направлением исследований в области гидравлических сопротивлений в настоящее время является совершенствование таблиц для определения коэффициентов шероховатости, посредством введения в них параметров, учитывающих влияние глубин, формы сечения русел и других. На пойменных створах необходим учёт влияния эффекта взаимодействия потоков, в частности, с помощью угла а;
- необходима дополнительная натурная и лабораторная информация
для уточнения положения расчётной зависимости при втором типе взаимодействия русловых и пойменных потоков;
- необходимо дальнейшее совершенствование методики расчётов средних на вертикалях скоростей русловых составляющих потоков, в частности, за счёт учёта эффекта взаимодействия при других его типах.