Закономерности двухстороннего симметричного стеснения пойменных потоков поперечными глухими дамбами

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире особое значение приобретает создание методов и технологий расчёта и проектирования поперечных дамб с учётом взаимодействия пойменных и русловых потоков. В связи с этим, совершенствование методов и технологий расчёта и проектирования пойменных поперечных дамб с учётом взаимодействия пойменных и русловых потоков для защиты берегов от размыва и регулирования русел рек является одним из важнейших задач. В этом направлении, во многих развитых странах, таких как США, Англия, Франция, Россия и др. особое внимание уделяется защите берегов от размыва, двухсторонне стесненного потока поперечными дамбами, с учётом движения паводковых вод в руслах и поймах, кинематического и динамического взаимодействия русловых и пойменных потоков, шероховатости и сложной морфологии поймы и русла. В мире проведение целенаправленных исследовательских работ, посвященных разработке научно-обоснованных методов расчётного обоснования, поперечных пойменных дамб двухсторонне стесняющих поток, с учётом взаимодействия пойменных и русловых потоков приобрело особое значение. В этой связи, одной из важнейших задач является разработка технологий по вскрытию закономерностей потока двухсторонне симметрично стеснённого пойменными поперечными глухими дамбами, определения гидравлических параметров потока в створе стеснения и в зоне растекания, установление коэффициента стеснения по площади, совершенствование методов расчета поля скоростей, длины областей подпора, сжатия и растекания. На сегодняшний день в нашей Республике, широко внедряются широкомасштабные мероприятия по совершенствованию технологий и методов расчета поперечных дамб для защиты берегов рек, предохранению от затопления прибрежных земель, имеющихся земельных ресурсов, в том числе эффективному использованию пойменных земель. В этом направлении, также требуется усовершенствование методов проектирования и расчёта параметров потока, симметрично стесненного глухими поперечными пойменными дамбами при защите берегов рек с двухсторонними широкими поймами. В Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 гг. указано о «... дальнейшем развитии мелиоративных и ирригационных объектов для увеличения уровня национальной экономики»1 . Важное значение приобретает выполнение данной задачи, направленной на проведение научно-исследовательских работ по совершенствованию методов проектирования и расчёта параметров двухсторонне симметрично стесненного потока рек с широкими поймами для регулирования русел рек, защиты берегов рек от размыва и для эффективного использования пойменных земель. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Законе Республики Узбекистан «О безопасности гидротехнических сооружений» (1999), Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Узбекистана в 2017-2021 годах, утвержденной Указом Президента Республики Узбекистан УП-4947 от 7 февраля 2017 года, Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-3286 от 25 сентября 2017 года «О мерах по дальнейшему совершенствованию системы охраны водных объектов», Постановлении Кабинета Министров Республики Узбекистан №13 от 21 января 2014 года «Об утверждении Программы по стабилизированному и безопасному пропуску вод по водотокам Республики Узбекистан на 2014-2015 годы и на перспективу до 2020 года», а также в других нормативно-правовых документах принятых в этом направлении. Цель исследования состоит в разработке методов расчета двухсторонних поперечных дамб симметрично расположенных на пойме, с учетом взаимодействия руслового и пойменного потоков и разной шероховатости русла и пойм. Научная новизна исследования заключается в следующем: усовершенствованы методы расчета подпора, коэффициента стеснения по площади, длины верховых водоворотных зон в условиях двухстороннего стеснения пойменных потоков глухими поперечными дамбами, с учётом взаимодействия руслового и пойменного потоков; усовершенствован метод расчета скоростей в сжатом сечении при симметричном стеснении пойменными дамбами, с учётом угла установки дамбы и коэффициента стеснения по расходу; усовершенствован метод расчета поля скоростей в области сжатия в условиях симметричного стеснения потока пойменными поперечными глухими дамбами учитывающие неравномерное распределение скоростей, продольные и поперечные перепады глубин; разработаны параметры растекания потока за сжатым сечением и расчет длины водоворотных зон, с учётом взаимодействия русловых и пойменных потоков, одинаковой и разной шероховатости пойм и русла. Заключение На основе проведенных исследований по диссертации доктора философии (PhD) на тему «Закономерности двухстороннего симметричного стеснения пойменных потоков поперечными глухими дамбами» сделаны следующие заключения: 1. Экспериментально обоснована универсальность поля скоростей в зонах взаимодействия пойменных и руслового потоков, установлены закономерности изменения ширины этих зон на реках с симметричными поймами. В результате обосновано соответствие теоретических и экспериментальных исследований. 2. Двухстороннее симметричное стеснение пойменных потоков поперечными дамбами приводит к сильному изменению естественного бытового режима рек, как на пойме, так и в русле, образуются: верховые водоворотные зоны, области сжатия и растекания, а также формируются гидравлически однородные зоны слабовозмущённого ядра, спутного потока, интенсивного турбулентного перемешивания, зоны взаимодействия. Результаты исследований дают возможность прогнозировать зоны размыва и обоснованно назначать расстояния между пойменными дамбами. 3. В отличии от существующих решений основывающихся на средних скоростях в створе стеснения определение таких гидравлических параметров потока как скорость в русле Upo на поймах (7„о, максимальной скорости на пойме Umo и и'пю у оголовка дамб даётся с учётом неравномерного распределения скоростей. В результате появилась возможность обратить внимание на увеличение глубины размыва у оголовка пойменных дамб на 10%-30%. 4. Экспериментально установлено, что с увеличением степени стеснения по расходу f)q> угла установки дамбы ал, коэффициент пространственного сжатия £пр уменьшается. При этом их интенсивность уменьшения при установке дамбы по течению составляет 0,09, а против течения 0,34, а также предложены аналитические зависимости для определения £пр. Эти аналитические зависимости дают возможность выбора оптимального варианта установки двухсторонних пойменных дамб. 5. Экспериментально обоснована правомерность использования графических и аналитических зависимостей А.М.Латышенкова для расчёта коэффициента увеличения скоростей в русловой части створа стеснения /Зр. В результате обоснована необходимость учёта угла <р между осью потока и вектором скорости, при расчете стеснения речного потока двухсторонними поперечными дамбами. 6. В отличие от существующих решений, разработан метод расчёта поля скоростей в области сжатия потока симметрично стесненного поперечными пойменными дамбами с учётом продольных и поперечных перепадов глубин, неравномерности распределения скоростей в зоне слабовозмущённого ядра, наличие двух зон интенсивного турбулентного перемешивания, а также зоны взаимодействия между русловым и пойменными потоками. Разработанный метод расчета позволяет защиту берегов рек от размыва двухсторонними поперечными дамбами. 7. Теоретическим путём, с использованием основных положений теории турбулентных струй, разработана методика расчёта скоростей в русле Up, скорости на поймах Uni, U„n, скорости обратных токов UH, длины области растекания Le для случая симметричного стеснения поперечными дамбами, когда шероховатости пойм отличаются пп, п„„ и когда одинаковы п,„ = п„„. В результате на реках, для случаев симметричного и несимметричного растекания потока, появилась возможность разработки план-схемы регулирования потока двухсторонними поперечными дамбами. 8. Основные результаты работы легли в основу рекомендаций, которые дали возможность внедрения в производство при защитно-регулировочных работах на правом и левом берегах реки Амударья от размыва на участках Турткуль, Элликкала, Беруний, Хонка, Богот и Ургенч с годовым экономическим эффектом 80 млн.сум в год