Влияние фильтрации через дно русла на кинематику потока и статистические характеристики рельефа дна

Задачи, поставленные ШТ съездом КПСС, требуют повышения эффективности мелиорации и комплексного использования водных ресурсов. Для решения проблемы дефицита воды в засушливых областях намечается переброска части стока рек Севера и Сибири в южные районы с созданием в перспективе Единой водохозяйственной системы страны. Осуществление таких задач связано с проблемой регулирования рек, освоением новых орошаемых и осушаемых земель и строительством крупных каналов. Анализ натурных наблюдений показывает, что большинство каналов в процессе эксплуатации претерпевает значительные деформации и поэтому их проектирование нуждается в более точных рекомендациях.

Решить эти проблемы можно только при глубоком и всестороннем изучении руслового процесса, сущностью которого, как указывал М. А. Великанов, является взаимодействие потока и русла. В результате такого взаимодействия формируется кинематическая структура потока и создается определенный донной рельеф. В натурных условиях на русловой процесс оказывают влияние многие факторы, такие как уклон и шероховатость русла, состав донных отложений, турбулентность и мутность потока и др. Более полный учет их является важной задачей.

Одним из таких малоизученных, но важных факторов, влияющих в целом на систему «поток-размываемое русло», является фильтрация в естественных руслах (реках), имеющая почти повсеместное распространение. Фильтрация в искусственных руслах (каналах) также на данном этапе — явление неизбежное и способствующее деформациям, так как большинство каналов необлицованы и проходят в легко размываемых грунтах. Направление фильтрации из русла или в русло зависит от положения уровней в реке и в водоносных горизонтах. Все указанные обстоятельства обуславливают актуальность задач, связанных с изучением влияния фильтрации на русловой процесс.

Цель работы заключается в определении характерных особенностей взаимодействия руслового потока с несвязным грунтом с различной крупностью частиц при наличии «п о л о ж и т е л ь-н о й» (в русло) и «отрицательной» (из русла) фильтрации через днов разработке предложений по учету величины и направления фильтрации при расчете допускаемых (неразмывавдих) скоростей и коэффициентов Шези С.

Основным методом исследования в работе является лабораторный эксперимент. Полученные данные о кинематике потока и сформировавшемся рельефе, рассматриваемом как реализации случайных функций, обрабатывались с помощью ЭВМ ЕС-Ю22и CM-I803.

Научная новизна работы. На основании проведенных экспериментальных исследований определена степень влияния фильтрации различного направления и величины на кинематическую структуру руслового потока при грядовом рельефе. Дана количественная оценка влияния фильтрационного потока на параметры турбулентности, что в итоге приводит к изменению значений допускаемой (неразмы-вающей) скорости.

Экспериментально установлены количественные характеристики влияния фильтрации на статистические параметры донных форм. Предложены зависимости, связывающие статистические параметры рельефа дна с относительными фильтрационными расходами (Q.

U.p.

Найдены зависимости, учитывающие относительные изменения коэффициента Шези С при различных относительных фильтрационных расходах (при прочих практически равных условиях).

Практическое значение и реализация работы. В результате проведенных экспериментальных исследований получены количественные оценки влияния фильтрации на кинематику потока и, в частности, на параметры турбулентности, которые учтены при расчетах допускаемых (неразмывающих) скоростей. Также получены зависимости, связывающие статистические характеристики донных форм с относительным фильтрационным расходом, влияющим на коэффициент Шези С.

Результаты исследований использованы институтом «Союзгипро-водхоз» им. Е. Е. Алексеевского при проектировании земляных каналов.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, написан один научно-технический отчет. Основные положения диссертации докладывались на конференции молодых ученых Института водных проблем АН СССР (1979 г.) и на научно-технических конференциях МГМИ (1979;1983 г. г.).

В первой главе диссертации приводится обзор литературы, рассматривающей вопрос о влиянии фильтрационных потоков на систему «поток-размываемое русло». Также дан краткий обзор литературных источников, посвященных статистическим характеристикам донного рельефа и кинематической структуре потока над грядовым рельефом. В конце главы сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным установкам и методике проведения исследований. В этой главе дана оценка погрешностей проведенных измерений.

В третьей главе рассмотрена методика обработки экспериментальных данных.

В четвертой главе рассмотрены полученные результаты экспериментальных исследований, даются предложения по учету величины и направленности фильтрации при расчете допускаемых (неразмыва-ющих) скоростей штока и коэффициентов Шези С. В конце главы сформулированы задачи и вопросы, подлежащие выяснению и уточнению в дальнейших исследованиях.

В заключении работы излагаются основные выводы, полученные в результате исследований, приводится список использованной литературы и приложения.

ВЫВОДЫ.

В результате проведенных исследований и использования лабораторных данных других авторов можно сделать следующие выводы:

1. Проведенный анализ литературы, посвященной изучаемой проблеме позволил установить, что вопросы влияния фильтрации «отрицательного» и «положительного» направления через дно русла на систему «поток-размываемое русло» весьма важны, но изучены мало.

2. Экспериментально подтверждена правомерность статистического подхода к описанию шероховатости дна, определяемого числовыми характеристиками закона распределения глубин с использованием статистического корреляционного и спектрального анализов.

3. Экспериментально установлено влияние фильтрации, различной величины и направления, на вертикальную, продольную и поперечную пульсационные составляющие скорости. Фильтрация из русла снижает их значения, а фильтрация в. русло — повышает.

4. Получены графические зависимости, определяющие связь параметров турбулентности с относительным фильтрационным расходом, его направлением и диаметром частиц.

5. Установлено, что изменение значений коэффициента перегрузки (h), входящего в формулу Ц. Е. Мирцхулавы для допускаемых (неразмывающих) скоростей, существенным образом связано со значениями и направлением относительного фильтрационного расхода и диаметром частиц. Увеличение или уменьшение «/7 «при фильтрации в русло или из русла ведет к уменьшению или увеличению значений допускаемых (неразмывающих) скоростей.

6. Выявлено, что изменение значений допускаемой скорости для разных направлений фильтрационного потока неодинаково (снижение происходит примерно в полтора раза интенсивнее, чем нарастание).

7. Предложены графические и аналитические зависимости из 6he (She 6ht менения статистических параметров рельефа дна (, , — ,.

Ги 6ка ч ГС he С bjnL, * -jr' > различных диаметров частиц от значений относительного фильтрационного расхода () с учетом.

Цр его направления.

8. Установлена связь коэффициента Шези С со статистическими параметрами рельефа дна для различных диаметров грунтов при наличии фильтрации из русла и в русло. Получены зависимости, учитывающие относительные изменения коэффициента Шези С при различных значениях и направлениях относительного фильтрационного расхода.

Полученные в работе количественные результаты справедливы для плоского потока и приведенных выше диапазонов изменения основных его параметров.