10.2. Расчет полузапруд

Определение длины полузапруды. При проектировании полузапруд определяют следующие их размеры и элементы: длину, высоту, продольный уклон гребня, расстояние между полузапрудами, угол наклона их осей к направлению течения, ширину гребня, заложение откосов, длину прикорневого крепления берега, длину крепления дна перед верхним откосом, за нижним откосом и в районе головы сооружения и некоторые другие конструктивные элементы.

Обычно расчетом определяются основные размеры полузапруд – длина, высота и расстояние между ними. Иногда также рассчитывается крупность материала, из которого возводится тело сооружения и укрепление берега и дна. Остальные элементы полузапруд назначаются по данным практики и подлежат дальнейшему уточнению.

При известной ширине выправительной трассы В_т, одна кромка которой опирается на ведущий берег, бытовой ширине русла В_б и угле наклона полузапруды к направлению течения 90° (см. рис. 10.10) длина полузапруды равна

. (10.5)

Рис. 10.10. Схема к определению длины полузапруды

В случае двустороннего расположения полузапруд бытовая ширина русла В_б уменьшается на часть ширины русла, занятую сооружениями у противоположного берега. Следует при этом иметь в виду, что при двустороннем возведении полузапруд их располагают преимущественно в шахматном порядке по длине участка реки.

В практике выправительных работ на судоходных реках ширина русла, перекрытая полузапрудами, обычно составляет (0.30.5)B_б при проектном уровне, а на малых реках эта ширина доходит до (0.50.6)В_б.

Определение высоты полузапруды. Для определения высоты полузапруды по способу ЛИВТа необходимо выполнить следующие построения и расчеты.

1. Установить значения расчетного расхода воды Q_p и расчетного уровня Н_р, при которых полузапруды начинают оказывать заметное (начальное) перераспределение расхода в пользу выправительной трассы. Для полузапруд меженного действия за расчетный расход обычно принимают значение руслоформирующего расхода воды, соответствующего нижнему максимуму на графике Q²pl=f(Q). При этом часто расчетный уровень, найденный по кривой расходов воды, оказывается на 1.5-2.0 м выше среднего меженного уровня. При этом уровне воды речной поток обладает достаточной транспортирующей способностью, необходимой для начала размыва гребня переката в районе судового хода.

2. Нанести на план затруднительного участка выправительную трассу и предварительное расположение полузапруд, вычертить поперечные сечения в створах полузапруд до расчетного уровня. Далее расчеты выполняют отдельно для каждой полузапруды.

3. Построить интегральную кривую распределения расхода воды при расчетном уровне и определить расход воды Q_св.б, проходящий в пределах выправительной трассы в бытовом состоянии русла, а также площадь _св этой части поперечного сечения (см. рис. 10.11).

Рис. 10.11. Расчетный поперечный профиль русла и интегральная кривая

расхода в створе полузапруды

4. Подсчитать потребный расход воды в пределах выправительной трассы Q_св, который может обеспечить необходимый размыв дна в пределах судового хода, причем

, (10.6)

где: _p – потребная для размыва дна расчетная скорость в пределах выправительной трассы.

При этом расчетная скорость равна

. (10.7)

Здесь размывающая скорость _разм=1,З_нр, а неразмывающая скорость по В.Н. Гончарову равна _нр=3.0(Td_c/d₉₀)^0.2(d_c+0.0014)^0.3, м/с, где: Т – глубина потока на судовом ходу при расчетном уровне воды; d_c и d₉₀ – диаметры частиц дна, обеспеченные соответственно на 50 и 90% по кривой гранулометрического состава.

Коэффициент запаса К_зап=1.21.4, который учитывает возможность образования самоотмостки дна, возникающей в результате смыва потоком относительно более мелких частиц dd_c и сосредоточения на дне потока более крупных частиц d>d_c. Отсутствие такого запаса может приостановить размыв дна, и расчетного углубления переката не произойдет.

5. Вычислить основной показатель работы затопленной полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла по формуле (10.1).

6. Вычислить величины:

_п – часть площади поперечного сечения, перекрываемую полузапрудой;

_сл – часть площади поперечного сечения, расположенную над гребнем полузапруды до расчетного уровня воды;

_г – полную площадь поперечного сечения при уровне вровень с гребнем полузапруды.

При этом задаются тремя отметками гребня полузапруды z_г между проектным и расчетным уровнями воды. Гребень полузапруды принимается горизонтальным.

По найденным значениям площадей подсчитывают коэффициенты, характеризующие степень затопления полузапруды и степень стеснения потока по формулам (10.2) и (10.3).

5. Построить на основе выполненных расчетов кривые зависимости К_сл=f₁(z_г), m=f₂(z_г), К_сл=f₃(m), на одном графике (рис. 10.12). На этот график наносят опытную прямую К_сл=f₄(m, К_св), соответствующую потребному значению параметра К_св, подсчитанному в пункте 5 расчета.

Рис. 10.12. Графическое определение отметки гребня полузапруды

Рис. 10.13. Экспериментальный график зависимости Ксл=f(m, Ксв) при расстоянии между полузапрудами S=3lп (штриховые линии) и S=1,5lп и менее (сплошные линии)

Координаты опытных прямых К_сл=f₄(m, К_св) берут с графиков, построенных на основании экспериментов в ЛИВТе (рис. 10.13). При этом для расчета одиночной полузапруды следует пользоваться графиком К_сл=f₄(m, К_св) при S=3l_п, а в случае системы полузапруд – графиком К_сл=f₄(m, К_св) при S=3l_п или при S=1,5l_п в зависимости от схемы расположения полузапруд на затруднительном участке.

Пересечение кривой К_сл=f₃(m) и прямой К_сл=f₄(m, К_св) определяет искомую расчетную отметку гребня полузапруды z_p и соответствующие ей значения К_сл и т.

Изложенный выше способ расчета высоты полузапруды предполагает их расположение под углом 90° к направлению течения или с небольшим отклонением на 10-15° от перпендикулярного положения.

При большом отклонении от 90° угла наклона полузапруды к течению расчет высоты сооружения можно выполнить по способу НИИВТа в следующей последовательности.

1. Установить значения расчетного расхода воды Q_p и расчетного уровня Н_р, при которых полузапруды начинают оказывать заметное перераспределение расхода в пользу выправительной трассы (аналогично первому способу).

2. Нанести на план затруднительного участка выправительную трассу и предварительное расположение полузапруд, вычертить поперечные сечения в створах полузапруд до расчетного уровня (аналогично первому способу) и определить часть площади поперечного сечения в пределах выправительной трассы _св (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Поперечный профиль русла в створе полузапруды для определения отметки гребня по способу НИИВТа

Рис. 10.15. Опытный график зависимости =f(A, a)

3. Подсчитать потребный для размыва гребня переката расход воды в пределах выправительной трассы по формуле (10.6) и установить часть расхода воды, переливающегося через гребень полузапруды:

и. (10.8)

4. Найти по известным величинам  и  с экспериментального графика (рис. 10.15) необходимое значение отношения площадей

, (10.9)

где: =_св+_п+_сл – полная площадь поперечного сечения при расчетном уровне.

5. Подсчитать проекцию на живое сечение площади потока, переливающегося через гребень полузапруды, как через косой водослив

. (10.10)

6. Вычислить расчетную отметку гребня полузапруды по выражению

, (10.11)

где: l_п – проекция длины полузапруды на живое сечение, которая определяется, как

доля перекрытой сооружением части русла (при пологом береговом откосе l_п0,8В_пер).

В результате расчетов может оказаться, что полученные отметки гребней полузапруд на участке оказались близкими друг к другу. В этом случае находят их среднее значение, которое принимают в качестве окончательной отметки гребня для всех полузапруд.

Иногда полученные расчетом отметки гребней полузапруд существенно (более чем на 10%) отличаются друг от друга. Тогда эти отметки принимают за окончательные для соответствующих полузапруд. Часто отметки гребней полузапруд, расположенных на подходах к гребню переката, оказываются по расчету ниже, чем отметки полузапруд, находящихся на гребне переката. Такое положение отметок меженных полузапруд является целесообразным, так как в начале затруднительного участка по мере приближения к гребню переката последующие, более высокие полузапруды усиливают работу в потоке предыдущих сооружений, обеспечивая размыв дна в пределах судового хода.

В конце затруднительного участка воздействие полузапруд на поток должно постепенно ослабляться за счет уменьшения отметок гребней расположенных там полузапруд, что обеспечивает удобный переход потока к нижней плёсовой лощине. Таким образом, после возведения полузапруд как бы создается искусственный побочень с повышенными отметками в его средней части, что благоприятно сказывается на улучшении судоходных условий затруднительного участка.

Обычно гребень полузапруды конструктивно делается с продольным уклоном порядка 1/100-1/300, оставляя расчетную отметку гребня неизменной в ее средней части. Часто отметки гребня низких полузапруд меженного действия получаются выше проектного уровня на 1.5-2.0 м.

Проверка полученной расчетом отметки гребня полузапруды на пропуск весеннего ледохода выполняется по выражению

, (10.12)

где: z_нл – отметка низкого уровня весеннего ледохода 90%-ной обеспеченности;

t_л – толщина льда.

В случае нецелесообразности возведения полузапруд до расчетной отметки по условиям пропуска ледохода приходится уменьшать их высоту. При этом для компенсации понижения высоты полузапруды можно увеличить длину сооружения или уменьшить расстояние между полузапрудами, чтобы обеспечить на перекате размывающие скорости течения, достаточные для размыва его дна в районе судового хода до проектной отметки.

Если целесообразно сохранить полученную расчетом высоту полузапруды, несмотря на низкие уровни ледохода, то необходимо укрепить гребень, речной откос и голову сооружения от воздействия ледяных полей или обеспечить своевременный ремонт поврежденных во время ледохода частей полузапруды.

При определении расстояния между полузапрудами различают две стадии их работы в незатопленном и затопленном состоянии.

В случае работы полузапруд преимущественно в незатопленном состоянии расстояние между ними определяют по кривой растекания потока в зависимости от назначения сооружений.

Для полузапруд, которые предназначены направить поток на углубление дна в пределах судового хода, расстояние между ними принимается равным так называемому критическому расстоянию. При этом кривая растекания транзитного потока не заходит в межполузапрудные промежутки, а только касается голов, расположенных ниже по течению полузапруд.

Для построения кривых растекания потока за незатопленной полузапрудой можно пользоваться приближенными формулами И.М. Коновалова или путем построения скоростных полей с использованием его теории турбулентных струй.

Когда отсутствуют данные для подробных расчетов, критическое расстояние можно определить по зависимости

, (10.13)

где:  – коэффициент, зависящий от степени стеснения потока полузапрудами, значения которого для случая расположения сооружений на прямолинейном участке приведены ниже;

l_п – проекция длины полузапруды на плоскость живого сечения.

Степени стеснения потока 0.1; 0.2; 0.25; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 соответствуют следующие значения коэффициента : 10.5; 6.3; 5.0; 4.2; 2.9; 2.0; 1.4.

При расположении полузапруд на криволинейных участках критическое расстояние находится по формуле В.В. Дегтярева

. (10.14)

Если полузапруды возводятся от выпуклого берега, параметры  и  подсчитывают по таким формулам:

, (10.15)

, (10.16)

где: r₀ – радиус кривизны выпуклого берега.

В том случае, когда полузапруды расположены у вогнутого берега, параметры  и  определяют по таким формулам:

, (10.17)

. (10.18)

В случае работы полузапруд в затопленном состоянии расстояние между ними приближенно определяется по выражению А. И. Победоносцева

, (10.19)

где: h_п – высота полузапруды;

С_пер – коэффициент Шези для части русла, где предполагается возведение

полузапруд;

_с – коэффициент сопротивления полузапруды движению потока;

К_пер – коэффициент уменьшения расхода воды в зоне застройки полузапруд.

На рис. 10.16 приведен график зависимости коэффициента _с для двух значений углов наклона напорного откоса полузапруды с = 45° и 90°.

Рис. 10.16. График зависимости

График зависимости коэффициента К_пер приведен на рис. 10.17 для трех значений степени стеснения потока т=0.2, 0.4 и 0.6.

Рис. 10.17. График зависимости К_пер=f(K_сл, т)

Практика возведения полузапруд меженного действия показала, что положительные результаты выправления русла наблюдаются при расположении сооружений на расстоянии: на прямолинейных участках S=(23)l_п, у выпуклых берегов S=(34)l_п, а у вогнутых S=(12)l_п. Эти данные практики обычно используют при первоначальном расположении полузапруд на затруднительном участке, а затем после расчета высоты полузапруды расстояние между ними уточняется расчетом.

При возведении высоких полузапруд весеннего действия отметка гребня у корня сооружения часто принимается вровень с бровкой меженного берега. При этом гребню полузапруды конструктивно придается несколько больший продольный уклон с понижением в сторону реки порядка 1/25-1/50, чтобы способствовать сосредоточению расхода воды в пределах выправительной трассы и обеспечить условие лучшей сохранности от размыва тела сооружения при переливе через гребень слоя воды во время паводка.

Степень стеснения потока такими полузапрудами обычно принимается равной т=0.2-0.4, что несколько меньше, чем для полузапруд меженного действия. Это делается для предотвращения интенсивного размыва противоположного берега и самих сооружений.

Так как полузапруды весеннего действия работают продолжительный период времени в незатопленном состоянии, то расстояние между ними принимается несколько большим, порядка S=(34)l_п. Это создает условие для максимального заполнения наносами пространств между соседними полузапрудами. В результате образуется новый, более устойчивый береговой откос и достигается необходимое равномерное углубление дна переката в районе судового хода.