Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

в ы с т у п а ю щ е го н ад в о д н о й п о в е р х н о с т ь ю ; Г - у к л о н в о д н о й п о ­

гд е со — с к о р о сть в е тр а н а в ы с о т е ф л ю ге р а ; а 2 = 2 • 10~2 П а • с 2/м 2 -

к о э ф ф и ц и е н т а э р о д и н а м и ч е ск о й н а гр у з к и .

Н о э ти т р и си л ы и гр а ю т н е зн а ч и т е л ь н у ю р о л ь в ф о р м и р о в а ­

к р ы т и ю ж и в о го се ч е н и я р е к и , а э то в ы з ы в а е т п о в ы ш е н и е у р о в н я

в о д ы в ы ш е за то р а и , с о о тв е т ств е н н о , у м е н ь ш е н и е с к о р о сти те ч е ­

н и я . С л е д о в а те л ь н о , с н е к о т о р о го м о м е н та в р е м е н и п р е к р а ти т ся

д е й ств и е с и л ы , о б у сл о в л е н н о й с к о р о сть ю п о то к а . Н а э то м ф о р м и ­

р о в а н и е за то р а за в е р ш и т ся . Н е п о ср е д ст в е н н о н а у ч а с т к е сте сн е н и я р у с л а у к л о н су щ е с тв е н н о у в е л и ч и в а е т ся . Н а н и ж е л е ж а щ е м у ч а с т ­

е го п р о р ы в . Р а зр у ш е н и е за то р а м о ж е т п р о и сх о д и ть к а к в р е зу л ь та ­

те та я н и я л ь д а за то р а п о д в о зд е й ств и е м со л н е ч н о й р ад и ац и и , т е п ­

л о го в о зд у х а а тм о сф е р ы и те п л о й в о д ы р е к и , т а к и в р е зу л ь та те п о в ы ш е н и я у р о в н я в о д ы , п р и к о т о р о м лед за то р а в сп л ы в е т и , сл е ­

е го б у д е т о п р е д е л я ть ся в о сн о в н о м ги д р о ст а ти ч е ск и м д ав л е н и е м в о д ы , ск о п и в ш е й ся в ы ш е зато р а .

271

8.6.2. Расчет количества льда в заторе

В ы ш е о тм е ч а л о сь , ч т о п р я м о е и зм е р е н и е о с н о в н ы х п а р а м е т­ р о в за то р а п р е д ста в л я е т ч р е зв ы ч а й н о тр у д н у ю за д а ч у . М е то д ы и х

д и ста н ц и о н н о го и зм е р е н и я н е р а зр а б о та н ы . П о э т о м у о д н и м и з п у ­

в ы м и В .П . Б е р д е н н и к о в ы м . М е то д о сн о в а н н а п р и м е н е н и и о п о р ­

н ы х к р и в ы х Н .М . В е р н а д ско го и п о зв о л я е т п о св е д е н и я м о б у р о в ­

н я х в о д ы вр а з л и ч н ы х ст в о р а х за то р а и р а сх о д е в о д ы в р е ке о п р е ­ д е л и ть то л щ и н у л ьд а п о д л и н е за то р а и , сл е д о в а те л ь н о , е го к о л и ­ ч е с тв о в зато р е . Р а ссм о тр и м э т о т м ето д .

2 7 2

р у с л а п р и н а л и ч и и л е д я н о го п о к р о в а , а в н а ш е м сл у ч а е за то р н о го

льд а. О н а п о зв о л я е т н а й ти о т н о ш е н и е QI/Az п о и зв е с тн ы м м о р ­

ф о м е т р и ч е ск и м х а р а к т е р и с т и к а м , в х о д я щ и м в п р а в у ю ее ч а ст ь .

К р и в ы е , п о стр о е н н ы е п о э т о й за в и с и м о с т и в ф у н к ц и и о т о т м е тк и у р о в н я в о д ы в за то р е , п р и в е д е н ы н а р и с . 8 .9 а. Ч т о б ы о п е р а ти в н е е

п о л о ж е н и и , ч т о б у д е т н а б л ю д а ть ся , н а п р и м е р , сл е д у ю щ а я то л щ и ­ н а л ь д а в за то р е : 0 ,1 ; 0 ,5 ; 1; 2 ; 3 м и т.д . Д л я с л у ч а я о т с у т с т в и я

льд а , т . е. д ля с л у ч а я о т к р ы т о го р у с л а , к р и в а я ст р о и т ся п о з а в и си ­

м о с т и (8 .5 4 ). П р и в ы п о л н е н и и р а сч е то в р а сс м а тр и в а е м ы й у ч а с т о к р е к и д л и н о й L м о ж е т б ы ть р а зб и т н а р я д б о л ее м е л к и х х а р а к т е р ­ н ы х р а с ч е т н ы х у ч а с т к о в . В э то м с л у ч а е р е зу л ь та ты р а сч е та /гл б о ­ л е е н а д е ж н ы . З а те м с т р о я т гр а ф и к и , к о т о р ы е п о л у ч и л и н а зв а н и е

о п о р н ы х к р и в ы х .

Ч т о б ы п о стр о и т ь о п о р н ы е к р и в ы е д л я р а с ч е т н ы х у ч а с т к о в ,

п о к о т о р ы м б у д е м о п р е д е л я ть т о л щ и н у л ьд а в за то р е , н е о б хо д и м о

к р и в о й hn . Н а п р и м е р , за ш т р и х о в а н н а я п л о щ ад ь н а гр а ф и к е со о т ­

в е т с т в у е т то л щ и н е /гл = 3 м .

О п о р н ы е к р и в ы е п о к а з а н ы н а р и с . 8 .9 б.

Р а сп о л а га я р а сх о д о м в о д ы в р е к е и п е р е п а д о м у р о в н е й н а р а сч е тн о м у ч а с т к е р е к и в п е р и о д су щ е с тв о в а н и я за то р а , п р и п о ­ м о щ и о п о р н ы х к р и в ы х м о ж н о о п р е д е л и ть т о л щ и н у льд а в р а з л и ч ­ н ы х с е ч е н и я х зато р а . Д л я э то го н е о б хо д и м о в ы ч и с л и т ь п е р е п а д у р о в н е й н а к а ж д о м р а с ч е т н о м у ч а с т к е A z; = z B - z H, н а й ти з н а ч е ­ н и е Ql и п о э ти м д а н н ы м п о с т р о и т ь п р я м о у го л ь н ы е тр е у го л ь н и к и

2 7 3

н а п р о зр а ч н о й б у м а ге . З а те м , п р и к л а д ы в а я п о о ч е р е д н о к а ж д ы й и з т р е у го л ь н и к о в к гр а ф и к а м о п о р н ы х к р и в ы х , п е р е м е щ ае м и х вд о л ь го р и зо н та л ь н о й о си , п р и д е р ж и в а я сь о т м е то к z B и z H . Р е ш е н и е м зад ач и б у д е т со в п а д е н и е к о н ц о в ги п о т е н у з ы тр е у го л ь н и к а с о д н о й и з о п о р н ы х к р и в ы х , с о о т в е т с т в у ю щ и х о п р е д е л е н н о м у зн а ч е н и ю

/гл. Н а р и с . 8 .9 б э т о м у сл у ч а ю со о т в е т с т в у е т то л щ и н а л ь д а н а п е р ­ в о м у ч а с т к е , р а в н а я 2 м .

Рис. 8.9. Графики для определения толщины льда в заторе на расчетном участке 1.

а - кривые функции (8.55): Q* / Д г = f ( z , hn ),, б - опорные кривые.

П о сл е о п р ед е л е н и я т о л щ и н ы л ьд а н а ка ж д о м р а сч е тн о м у ч а ­ ст к е за то р а р а сс ч и та е м к о л и ч е с тв о л ьд а, со д е р ж а щ е го ся в н е м , п о

ф о р м ул е

П

л ьд а в зато р е ; п - ч и сл о р а с ч е т н ы х у ч а с т к о в .

П о с т а в л е н н у ю за д а ч у м о ж н о р е ш и ть и сп о со б о м , р а с с м о т ­ р е н н ы м в п . 8 .4 .2 - Р а сч е т к о л и ч е с тв а л ьд а в заж о р е . В с е в ы к л а д к и зад ач и о за ж о р е а н а л о ги ч н ы зад аче о зато р е .

2 7 4

8.6.3. Методы борьбы с заторами и зажорами льда на реках

2 7 5

т е м н ы м и п о р о ш к а м и , х и м и ч е с к и м и в е щ е ств а м и и л и п о к р ы ти е м

те п л о и зо л я ц и о н н ы м и п е н о м а те р и а л а м и ; и с к у с с т в е н н о е у си л е н и е л е д я н о го п о к р о в а п у т е м у д а л е н и я с н е го сн е га , н а м о р а ж и в а н и я л ьд а и л и со о р у ж е н и е л е д о за д е р ж и в а ю щ и х у с т р о й с т в (за п а н е й и п о л у за п р у д ) с ц ел ь ю со зд а н и я за то р а л ьд а в ы ш е п о те ч е н и ю о т

е т о б р а ти ть в н и м а н и е , ч т о н а и б о л ь ш и й э ф ф е к т б у д е т д о с т и г н у т ,

е сл и н и ж е за то р а и л и за ж о р а р е к а б у д е т о св о б о ж д е н а о т л е д ян о го п о к р о в а и л и ж е в н е м б у д е т п р о д е л а н д о с та то ч н о ш и р о к и й к а н а л ;

3 ) заб л аго вр е м е н н о е п р е д ска за н и е м е ста о б р а зо в ан и я зато р а

и л и заж о р а и его м о щ н о сти . В э то м сл у ч а е м о гу т п р о в о д и ться лед о ­

к о л ь н ы е , в зр ы в н ы е , л е д о р езн ы е и д р у ги е р а б о ты и л и п р и н я ты со о т­

в е тств у ю щ и е м е р ы д ля и зм е н е н и я ск о р о стн о го р е ж и м а п о то ка .

В за кл ю ч е н и е о тм е ти м , ч то п р о во д и м ы е р а б о ты п о л и кв и д а ­

р . Л е н е у г. Л е н ск а в 2 0 0 1 го д у д л и н о й п о р яд ка 6 0 к м , а то л щ и н о й в

о п а сн а я д ля н асел е н и я и х о зя й ств е н н ы х о б ъ екто в . С к о р о ст ь д в и ж е ­

8.7. Статическая нагрузка от ледяного покрова

на гидротехнические сооружения

8.7.1. Статическая нагрузка при температурном расширении льда

Л е д , к а к и б о л ь ш и н ст в о те л п р и р о д ы , п р и п о в ы ш е н и и т е м ­

2 7 6

В ги д р о те х н и к е п р и н я то н а зы в а ть д ав л е н и е л е д я н о го п о к р о ­

н и е д о л ж н о б ы ть у ч т е н о , т а к к а к о н о м о ж е т со с та в л я ть п о р я д ка

(1 ,0 ... 1 ,5 ) • 1 0 б Н /м 2. И з в е ст н о б о л ь ш о е ч и с л о с л у ч а е в , к о гд а б ы л и

п о в р е ж д е н ы н е то л ь к о п о д в и ж н ы е ч а с т и п л о т и н , н о и и х б ы ч к и ,

м а я к и , п и р с ы и д р у ги е со о р у ж е н и я . К с т а т и ч е с к и м н а гр у з к а м т а к ­ ж е о т н о ся т и н а гр у з к и о т п р и м е р зш е го л е д я н о го п о к р о в а к со о р у ­ ж е н и ю (н а п р и м е р , к св а е ) п р и и зм е н е н и и у р о в н я в о д ы .

Д л я о п р е д е л е н и я в о зм о ж н о го с т а ти ч е ск о го д а в л е н и я в 3 0 -

4 0 -е го д ы н а и б о л ь ш е е р а сп р о ст р а н е н и е ср е д и ги д р о те х н и к о в и м е ­ л а ф о р м у л а Р о й е н а :

гд е Ил - т о л щ и н а л е д я н о го п о к р о в а ; tn - ср е д н яя п о то л щ и н е н а ­

ч а л ь н а я те м п е р а ту р а л ь д а ; т ' - в р е м я , н е о б хо д и м о е д ля п о в ы ш е ­ н и я те м п е р а ту р ы о т Чп д о 0 ° С .

В р е зу л ь та те э к с п е р и м е н т а л ь н ы х и ссл е д о в а н и й о н у с т а н о ­

в и л св я зь м е ж д у о т н о си те л ь н ы м сж а ти е м л ь д а е и о п р е д е л я ю щ и м и э то сж а ти е ф а к то р а м и в сл е д у ю щ е м ви д е :

к о м ; с —к о н ста н та , х а р а к те р и зу ю щ а я п л а сти ч е с к и е св о й ств а льда.

Н а о сн о в а н и и а н а л и за э то й з а в и си м о сти Р о й е н п о л у ч и л ф о р м у л у (8 .5 7 ) д ля о ц е н к и ст а т и ч е с к о го д ав л е н и я л ьд а. В п о сл е д ­ ст в и и Б .В . П р о с к у р я к о в ы м б ы л а о б н а р у ж е н а о ш и б к а в в ы в о д е

277

э то й ф о р м у л ы . О д н о в р е м е н н о о н п р е д л о ж и л н о в ы й м ето д р а сч е та

ст а ти ч е ск о го д ав л е н и я л е д я н о го п о к р о в а н а ги д р о те х н и ч е ск и е с о ­

о р у ж е н и я , о сн о в а н н ы й н а у р а в н е н и я х Н а в ь е -С т о к с а . Р а ссм о тр и м

Р 0 < 5 • 104 Н /м 2 лед в ед е т се б я к а к у п р у го е те л о . П о сл е то го к а к

н а п р я ж е н и е п р е в ы с и т э т о т п р е д е л , д е ф о р м а ц и и во л ь д у п о д ч и н я ­ ю т с я з а к о н у Н ь ю то н а :

со о тв е т ств е н н о н а о си х, у, z.

В ы д е л и м в то л щ е л е д я н о го п о к р о в а в о д о е м а э л е м е н та р н ы й п а р ал л е л е п и п е д с р азм е р ам и d x , d y , d z (р и с . 8 .1 0 ). П р и м е н и м к н е -

278

гд е р - п л о т н о с т ь л ьд а, х - в р е м я . Ц и ф р а 2 у к а з ы в а е т , ч т о р а с ш и ­ р е н и е л ь д а п р о и сх о д и т в д ве ст о р о н ы .

Е с л и в у р а в н е н и и (8 .6 1 ) п л о т н о с т ь в ы р а зи ть ч е р е з м а с с у и о б ъ е м л ьд а, а за те м п р и м е н и ть у р а в н е н и е , о п и сы в а ю щ е е л и н е й н о е р а сш и р е н и е те л а п р и и зм е н е н и и е го те м п е р а ту р ы (т а к к а к р а с ш и ­

(гд е /( и /0 - д л и н а тв е р д о го те л а со о тв е т ств е н н о п р и те м п е р а ту р е t и 0 ° С , а - к о э ф ф и ц и е н т Л и н е й н о го р а с ш и р е н и я ), то п о л у ч и м :

279

О б р ащ ая сь к тр е ть е м у у р а в н е н и ю с и с т е м ы (8 .6 0 ) и и м е я

(8 .6 0 ), п о л у ч и м в ы р а ж е н и е д л я о п р ед е л е н и я с т а ти ч е ск о го д ав л е ­ н и я н а е д и н и ц у в ы с о т ы ги д р о те х н и ч е ск о го со о р у ж е н и я о т л е д я н о ­ го п о к р о в а п р и и зм е н е н и и е го те м п е р а ту р ы в о в р е м е н и :

н а п р я ж е н и я м н е о б хо д и м о д о б а в и ть ещ е у п р у г у ю ч а с т ь н а п р я ж е ­ н и я - Р0 , т.е .

Д ля п о л уче н и я общ его д авления лед яного п о кр о ва след ует п р о ­ интегрировать послед нее вы р аж ен и е о т 0 до /гл (h„- то л щ и н а ледяного п о кр о ва):

280