Глава X. Работа выправительных сооружений в речном потоке и их расчет

10.1. Работа полузапруд в потоке

Общие сведения. Полузапруды являются основными сооружениями, закрепляющими выправительную трассу на затруднительных участках русла.

На свободных реках с высоким паводком полузапруды весной оказываются затопленными. В это время они слабо воздействуют на движение речного потока. В период спада паводка полузапруды меженного действия начинают оказывать заметное влияние на перераспределение расхода воды в пользу выправительной трассы. В этот период времени может происходить интенсивное заполнение наносами промежутков между полузапрудами.

По мере снижения уровней перераспределение расхода воды усиливается, происходит размыв дна в свободной от сооружений части русла до требуемой судоходной глубины. При низких уровнях, когда гребни полузапруд оказываются незатопленными, они работают как водостеснительные сооружения, сосредоточивающие весь расход воды в пределах выправительной трассы.

Таким образом, при проектировании полузапруд необходимо рассматривать обе фазы их работы в незатопленном и затопленном состояниях.

Работа в потоке незатопленных полузапруд. Общая схема обтекания потоком одиночной незатопленной полузапруды показана на рис. 10.1.

Из этой схемы видно, что вся область возмущения, создаваемая введением в поток поперечного примыкающего к одному из берегов сооружения, может быть условно разбита на три (I, II, III) основные части.

Рис. 10.1. Схема обтекания потоком одиночной незатопленной полузапруды:

а – план; б – положение свободной поверхности вблизи берега, к которому

примыкает сооружение (1) и в свободной части русла (2)

Часть I располагается выше створа полузапруды. Здесь происходит постепенное отклонение потока в сторону выправительной трассы. По мере приближения к полузапруде ширина потока В уменьшается, начальные скорости течения ₀ увеличиваются, а свободная поверхность воды понижается.

Однако изменение скорости течения происходит неравномерно по ширине русла. В береговой струе скорости течения даже уменьшаются. Здесь происходит замедление движения потока из-за стоящей впереди преграды (полузапруды) и создается некоторый обратный уклон свободной поверхности воды.

В некоторой точке перед полузапрудой скорость становится равной нулю, происходит отрыв потока от берега и перед полузапрудой образуется верховая водоворотная область длиной l_в с обратным направлением течения вдоль берега.

Сравнительно короткая часть II зоны возмущения располагается между створом сооружения и наиболее сжатым сечением транзитного потока, расположенным несколько ниже по течению головы полузапруды. В пределах этого участка заканчивается сжатие потока и происходит дальнейшее увеличение скоростей течения в плане и выравнивание их значений по глубине, так как здесь имеется общее ускоренное движение потока. При этом в придонных слоях увеличение скорости течения происходит на большую величину, чем у поверхности.

Самая большая по длине часть III зоны возмущения потока простирается вниз по течению от сжатого сечения и представляет собой участок постепенного расширения потока. При этом между расширяющимся потоком, низовым откосом сооружения и берегом располагается обширная низовая водоворотная область длиной L_в.

Процесс образования этой водоворотной области сводится к следующему. Пройдя створ полузапруды, транзитный поток вступает во взаимодействие с массами воды, расположенными ниже сооружения. Это взаимодействие заключается в интенсивном турбулентном обмене, вследствие которого транзитный поток вовлекает в движение примыкающие к нему массы жидкости, расположенные ниже полузапруды.

По мере развития турбулентного обмена скорости течения в транзитном потоке уменьшаются, а отметки свободной поверхности воды повышаются. В результате создается обратный уклон воды, под воздействием которого вдоль берега образуется обратное движение потока. Таким образом, вся масса жидкости, расположенная у берега ниже полузапруды, начинает циркулировать, образуя большую водоворотную область.

Условная граница между транзитным потоком, переносящим расход воды, и замкнутой водоворотной областью с циркуляционным движением жидкости называется кривой растекания потока.

Распределение осредненных скоростей течения при обтекании потоком одиночной полузапруды показано на рис. 10.2.

Рис.10.2. Распределение осредненных скоростей течения при обтекании потоком

одиночной незатопленной полузапруды в прямоугольном русле

В зоне III ввиду общего замедленного движения в транзитном потоке наблюдается уменьшение скорости течения, особенно в придонных слоях. Максимум обратной скорости _обр течения в большой водоворотной области наблюдается вблизи берега примерно на половине ее длины и достигает значений _обр0.25_с, где _с – скорость течения в сжатом сечении транзитного потока.

По мере приближения к корневой части полузапруды обратная скорость течения вдоль берега уменьшается, кривая свободной поверхности несколько повышается, происходит отрыв потока, и образуется малая низовая водоворотная область в углу за сооружением.

Турбулентный обмен между транзитным потоком и большой водоворотной областью происходит благодаря наличию большого градиента скоростей течения, особенно на начальном участке, где возникают вихри с вертикальной осью вращения (рис. 10.3).

Рис.10.3. Схема образования вихрей с вертикальной осью вращения на участке ниже полузапруды: 1 – линия нулевых скоростей в водоворотной области; 2 – кривая растекания транзитного потока; 3 – теоретическая кривая сжатия потока

Эти вихри сносятся потоком вниз по течению, взаимодействуя с окружающей жидкостью и между собой. Вихревые образования, обладая большой энергией, распадаются (диффундируют) сравнительно медленно.

Окружные скорости вращения частиц жидкости внутри них остаются большими на значительном расстоянии. Кроме того, в центре вихрей наблюдается существенная подъемная сила. Поэтому они на своем пути оставляют серию воронкообразного размыва дна, особенно вблизи головы полузапруды.

При наличии на участке русла нескольких незатопленных полузапруд, расположенных друг за другом, картина их обтекания потоком зависит от расстояния между ними (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Схема обтекания потоком системы незатопленных полузапруд

Если расстояние между полузапрудами больше длин водоворотных областей S>L_в+l_в, то они работают в потоке независимо. Между такими сооружениями имеется участок, где транзитный поток занимает всю ширину русла (см. рис. 10.4, а).

При уменьшении расстояния между полузапрудами до значений SL_в+l_в и несколько меньше на участке образуются общие водоворотные области, а транзитный поток не соприкасается с берегом, от которого возведены сооружения. Неравномерность ширины транзитного потока в этом случае еще сохраняется (см. рис. 10.4, б, в).

Дальнейшее сближение полузапруд до расстояний приводит к тому, что некоторое сжатие потока наблюдается лишь вблизи головы верхней полузапруды. Дальше линия раздела между транзитным потоком и водоворотными областями в межполузапрудных промежутках проходит почти параллельно берегу вдоль голов сооружений. Под S_кр здесь понимается длина отрезка, проведенного параллельно берегу, от головы полузапруды до пересечения с кривой растекания потока.

Картина обтекания потоком системы полузапруд, показанная на рис. 10.4, г, наблюдается при расстоянии между сооружениями, составляющем 1.5-2 длины полузапруды. При этом ширина транзитного потока остается практически постоянной на всем участке и скорости течения по длине и ширине русла в пределах выправительной трассы распределяются более равномерно, чем при расположении полузапруд с расстоянием .

Дальнейшее уменьшение расстояния между полузапрудами становится нерациональным из-за большого их количества, а также вследствие возможного снижения уровня воды на выправительной трассе. Указанное снижение уровня и уменьшение глубины потока особенно заметны в случае большой длины сооружений, перекрывающих 40% и более ширины естественного русла реки, и заполнения наносами межполузапрудных промежутков. При этом скорости течения возрастают настолько, что суда начинают испытывать затруднение при движении вверх по реке.

Работа в потоке затопленных полузапруд. При подъеме уровня воды выше гребня полузапруд через них начинается перелив воды. Уже в начале перелива исчезают водоворотные области, которые были в межполузапрудных пространствах при работе их в незатопленном состоянии.

Пройдя гребень сооружения, струи воды следуют далее примерно параллельно направлению основного потока, немного отклоняясь в сторону выправительной трассы. Отклонение направления течения в сторону выправительной трассы особенно ощутимо в поверхностных слоях при расположении полузапруд под углом против течения (см. рис. 10.5, а). Такие полузапруды оказывают большое сопротивление потоку.

Струи воды при этом переливаются через гребень полузапруды, как через косой водослив, примерно перпендикулярно оси сооружения. Некоторое время они сохраняют это направление течения по инерции на участке ниже створа полузапруды, а затем поверхностные струи принимают направление основного потока.

Одновременно донные струи отклоняются в сторону межполузапрудных промежутков, создавая там условия для отложения наносов.

Рис.10.5. Схема обтекания потоком затопленных полузапруд:

а – при угле наклона навстречу течению; б – при угле наклона по течению;

1 – поверхностные струи; 2 – донные струи

При переливе потока через полузапруды, расположенные под углом по течению реки, наблюдается обратная картина, т. е. некоторое отклонение направления течения поверхностных струй в сторону берега (рис. 10.5, б).

Однако наличие общего сопротивления затопленных полузапруд движению потока несколько уменьшает этот эффект отклонения поверхностных струй по сравнению со случаем, когда сооружения имеют наклон против течения. При этом наблюдается отток донных струй из межполузапрудных промежутков в сторону выправительной трассы, что свидетельствует о возможности отложения наносов в районе судового хода.

В целом скорости течения на выправительной трассе существенно больше, чем в районе расположения сооружений.

С повышением уровня воды при больших толщинах переливающегося через сооружения слоя воды поток не испытывает заметного искривления направления течения в зоне расположения полузапруд, а скорости течения мало отличаются от таковых в пределах выправительной трассы.

Это свидетельствует о том, что эффект перераспределения расхода по ширине русла при большом затоплении полузапруд почти исчезает. В этом случае имеется лишь некоторое изменение направления течения донных струй, которые по-прежнему вынуждены обходить сооружения, так же, как и при работе их в незатопленном состоянии.

Непосредственно за телом полузапруд, вдоль их низового откоса, образуются донные вальцы с горизонтальной осью вращения, которые создают винтовое движение, направленное от головы сооружения к берегу при расположении полузапруд под углом против течения и от берега к голове при их расположении под углом по течению (см. рис. 10.6).

В результате работы вальца и огибающих полузапруду донных струй около головы сооружения могут быть существенные местные размывы дна.

Рис. 10.6. Схема образования донных вальцов

при переливе воды через полузапруды при расположении их под углом:

а – навстречу потоку; б – по течению

Чтобы исследовать эффект работы полузапруд в затопленном состоянии, А.И. Лосиевским были выполнены опыты по изучению действия сооружений для защиты судового хода от транзитных наносов. Для этого наносы располагали выше полузапруд в зоне А (рис. 10.7). Изучая влияние полузапруд на углубление дна в пределах выправительной трассы, наносы располагали равномерно по всей площади зоны В непосредственно перед полузапрудами.

Рис. 10.7. Схемы расположения затопленных полузапруд

в опытах А.И. Лосиевского с использованием наносов:

а – нормально к течению; б – по течению; в – против течения

При расположении полузапруд нормально к направлению потока полного смыва наносов в пределах судового хода не было достигнуто. В межполузапрудных промежутках – зона D – отложилось лишь небольшое количество наносов.

В случае расположения полузапруд под углом по течению результаты работы сооружений в потоке оказались еще хуже, так как значительная часть наносов осталась на судовом ходу в зоне В. Межполузапрудные пространства – зона D – остались чистыми, наносы не откладывались.

Наилучшую работу показали сооружения, направленные против течения. В условиях перемещения транзитных наносов судовой ход (зона В) оказался совершенно чистым (без наносов), а в межполузапрудных промежутках (зона D) отложилось заметное количество наносов.

При этом во всех опытах отмечалось отложение наносов на нижнем участке за последней полузапрудой (зона С) и особенно большое их количество оказалось там при расположении сооружений под углом по течению, что соответствует физической картине обтекания потоком полузапруд.

Для установления некоторых количественных характеристик работы полузапруд в затопленном состоянии Ф.М. Чернышевым и В.М. Селезневым были проведены обширные экспериментальные исследования в лотках прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений.

На рис. 10.8 приведена схема перераспределения расхода воды по ширине русла под воздействием полузапруд.

Рис. 10.8. Схема к перераспределению расхода по ширине русла

при работе полузапруд в затопленном состоянии:

а – при наличии сооружений; б – в бытовом состоянии

Основным показателем, характеризующим работу затопленных полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла, является отношение расходов воды в пределах выправительной трассы при наличии полузапруд Q_св и при их отсутствии (в бытовом состоянии русла) в пределах той же ширины выправительной трассы Q_св.б

. (10.1)

Параметром, характеризующим степень затопления полузапруды, является отношение площади переливающегося через ее гребень слоя воды _сл к части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой _п

. (10.2)

Степень стеснения потока полузапрудой характеризуется отношением части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой _п, к полной площади поперечного сечения потока при уровне, совпадающем с отметкой гребня сооружения _г

. (10.3)

Параметром, характеризующим уменьшение расхода воды в зоне застройки сооружений, является отношение расходов вне выправительной трассы в бытовом состоянии Q_пер.б и переливающегося через полузапруды в проектном состоянии Q_пер (после их возведения)

. (10.4)

Проведенные лабораторные исследования позволили установить количественные связи перечисленных параметров, характеризующих работу полузапруд в затопленном состоянии.

На рис. 10.9 приведен график зависимости параметра К_св от степени затопления полузапруд К_сл, степени стеснения потока т и расстояния между полузапрудами S. Этот график показывает, что с увеличением величины К_сл значение К_св резко уменьшается. При К_сл=3.0 практически К_св=1.0, т.е. при трехкратном затоплении полузапруды уже не перераспределяют расход по ширине русла.

Рис. 10.9. График зависимости К_св=f(К_сл, т, S) по результатам исследования ЛИИВТа

Полученные кривые зависимости К_св=f(К_сл) могут служить некоторым критерием для определения момента начала работы полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла и для установления размера перераспределения расхода К_св при известной относительной толщине переливающегося через полузапруду слоя воды К_сл.

Например, при ощутимой величине начального перераспределения расхода в пользу выправительной трассы К_св=1.1 из графика следует, что заметная работа в потоке полузапруд меженного действия начинается для степеней стеснения т=0.20.4 при значении К_сл=1.01.5, а для т=0.6 при К_сл=2.53.0. При этом нижние значения К_сл отвечают случаю работы одиночной полузапруды, а верхние – работе системы полузапруд.

Соотношения между величинами К_св и К_сл, полученные при исследовании в лотке трапецеидального сечения, мало отличаются от таковых, полученных в лотке прямоугольного поперечного сечения.

Выполненные в ЛИВТе лабораторные исследования позволили установить, что основное влияние на поток оказывает первое (головное) сооружение. Остальные сооружения, в основном, поддерживают перераспределение расхода, достигнутое первой полузапрудой, и лишь немного усиливают его, особенно при больших степенях стеснения потока. Отсюда, в частности, следует, что последующие полузапруды можно возводить облегченной конструкции по сравнению с головным сооружением. Этот вывод подтверждается опытом выправительных работ.

Другой важный вывод из приведенных лабораторных исследований заключается в том, что расстояние между полузапрудами сравнительно слабо влияет на перераспределение расхода по ширине русла. Гораздо больший эффект в отношении перераспределения расхода воды между выправительной трассой и перекрытой сооружениями частью русла оказывает высота полузапруд.

Одновременно опыты показали, что на прямолинейных участках русла полузапруды можно располагать на расстоянии друг от друга порядка (23)l_п, где l_п – длина полузапруды.

Опыты не выявили заметного влияния расположения полузапруд относительно направления течения на перераспределение расхода по ширине русла. Как уже указывалось выше, от угла наклона полузапруд к потоку зависит расслоение потока. Различие между направлением поверхностных и донных струй возрастает с уменьшением угла наклона оси сооружения к направлению течения и толщины переливающегося через гребень полузапруды слоя воды. При этом заметное расслоение наблюдается при угле наклона полузапруды к потоку 60°.