ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 125
Скачиваний: 0
сложено крупным гравием и галькой |
(медианный |
диаметр ча |
|||
стиц— 5—15 мм). Устойчивость трех этих |
участков обусловлена |
||||
/ |
dH |
n |
dU |
1 |
d Q \ |
квазиравномерным движением потока |
|
= |
~dx~==^Jj |
‘~dx^l ' |
Связь между показателем возможной интенсивности деформаций
VFr----- и относительной глубиной Н/В, как видно на рис. 4.20, на
Wo
всех трех участках однозначная и линейная. Однозначность связей свидетельствует о том, что происходящий при росте скорости тече ния переход мелких фракций во взвешенное состояние и соответст-
Рис. 4.22. Графики связи между медианной гидравлической крупностью донных частиц и волновой скоростью.
Уел. обозначения см. на рнс. 4.21.
вующий рост средней крупности частиц, покрывающих дно, не при водят на этих участках к формированию отмостки. Из линейного характера связей следует, что в каждом гидростворе при колеба ниях уровней приближенно соблюдается условие инвариантности
• ^ - = c o n s t . |
(4.90) |
Так как в этих гидростворах соблюдено также условие локаль ной инвариантности величины M = H(gB)'/*Q~'h, то, как легко убе диться, в них соблюдено и третье условие инвариантности
Х ^ ! _ = соп5і. |
(4.91) |
Вытекающие отсюда линейные связи wa~^gH представлены на рис. 4.22.
112
Будучи независимы |
от высоты |
уровня выражения (4.90) |
и |
(4.91) очень удобны для |
сравнения |
возможной интенсивности |
де |
формаций на разных участках реки и на разных реках. К сожале нию, такие правильные связи, какие мы видим на рис. 4.21 и 4.22, даже на устойчивых участках русел составляют скорее исключение, чем правило. Чаще всего медианная крупность донных частиц об наруживает в своих колебаниях во времени столь сильную случай ную составляющую, что выявить в этих колебаниях определенную закономерность оказывается невозможным. С теоретической точки зрения, условия (4.90) и (4.91) представляют тот интерес, что они еще раз указывают на характерную для механической системы по ток—русло тенденцию к саморегулированию.
Таким образом, для целей практики уравнения динамики русло вых потоков предоставляют следующие два показателя интенсив ности русловых деформаций:
1) показатель местной интенсивности знакопеременных дефор
маций (намыва н размыва |
дна)— величину с размерностью ско |
||
рости |
|
|
|
Fr |
U_ |
д Н |
и-, |
и'о |
дх |
2) безразмерный показатель возможной интенсивности дефор маций, применимый для сравнительной оценки ее абсолютных зна чений на разных участках одной и той же реки, на разных реках и
вразных фазах колебаний стока
Втабл. 10 приведены значения последнего показателя, подсчи танные по данным измерений на нескольких гидростворах рек с ши роко меняющейся крупностью донных отложений. Створы располо-
и
жены в порядке возрастания значении показателя yFr-^ —. Хотя
ввиду небольшого числа измерений положение некоторых гидрост воров в этом ряду устанавливается не очень надежно, данные таб лицы в целом дают верную картину различий в степени неустойчиво сти русел. Из данных табл. 10 видно, что одну и ту же степень потенциальной неустойчивости имеют прежде всего участки, на ко торых одинаковы и подвижность донных частиц и кинетйчность потока. Таковы участки р. Урал у г. Оренбурга и р. Белой у г. Бирска. Однако встречаются случаи, когда одна и та же степень по тенциальной неустойчивости на одной реке обусловлена большой кинетичностыо потока при малой подвижности донных частиц (горная река Талгар у Талгара), а на другой — значительной подвижностью дойных частиц при умеренной кинетичности потока (р. Волга у Поляны нм. Фрунзе). Потенциальная неустойчивость русла р. Иртыша у г. Тобольска в основном определена малой крупностью донных частиц. Потенциальная неустойчивость русел
8 За к. № 550 |
и з |
»Н.
а
ѵо
К
Значения показателя возможной интенсивности русловых деформаций У Fr
&
C
ф
S
s Ія 3
а
**
ts
S s
и
ея
=
о
2
aniiadoiveii oi/DHf-,
’ S
a
;о о
еЗ
""
а
J3 н —
f- >1 -
и
CL
о
a
н
О
es
Ы
й
u/u w
СО о |
О |
N- |
С О |
о см |
*5t* |
ю |
on 05 о |
00 |
ю |
|||||
о" |
о |
со |
со |
оо |
т—< |
1—1 |
СО |
|
со |
CM |
05 |
см |
||
о |
о |
о |
і—1 1—4 |
1—1 |
см |
|
о |
|||||||
05 |
о |
С75 |
со |
со |
Ч* |
05 |
см |
ю |
h- |
05 |
см |
|
см |
|
|
см |
|||||||||||||
со |
СО |
СО |
со |
о |
о |
|
гм |
С5 |
о |
|
СП |
|
||
О |
О |
О |
о |
Т—1 т— 1 |
о |
1—1 1^ 1-Н |
1—1 ^-1 Сн |
|||||||
СО |
со |
сзо |
Ю- |
_ |
ю |
ч* |
|
05 |
Г Г ) |
05 |
_ |
нН |
|
|
ю |
05 |
со |
нН |
СО |
с- |
со |
со |
СО |
см |
со |
со 1-Н |
со |
||
о |
О |
»—I ,_Н |
г-с |
|
|
см |
со |
|
|
со" |
||||
ю |
05 |
со |
оо |
со |
со |
со |
h- |
о |
|
|
СО |
о |
см |
|
1^- |
гм |
о |
||||||||||||
1—« |
СО |
СО |
С5 |
со |
05 |
со |
||||||||
1—с |
т—< |
1—1 |
со |
о |
1—н |
со |
05 |
СО |
см |
05 |
см |
05 |
||
05 |
о |
ю |
1—I |
05 |
|
т—1 |
|
|
1". о |
|
|
ю |
||
со |
о |
ю |
со |
о |
СО |
о |
||||||||
00 |
СО |
о |
со |
|||||||||||
нН |
СО |
со |
Т—1 |
|
1—, |
|
о |
05 |
о |
гм |
05 |
сП |
со |
|
|
|
|
|
\П |
|
|
см |
1-Н |
со |
см |
со |
со |
||
Г". |
со |
о |
•ф |
о |
о |
со |
о |
00 |
оо |
СП |
о |
05 |
||
оо |
ю |
h- |
05 |
со |
см |
|||||||||
CM |
со |
со |
ю |
о |
|
•—< |
о |
▼н |
о |
о |
о |
|
см |
|
О О о о |
о о о о о о о о о о |
|||||||||||||
О |
Г- |
ю |
со |
СО |
ю |
см |
со |
|
05 |
ю |
см |
СО |
с- |
|
Г-н |
|
05 |
||||||||||||
со |
со |
|
со |
|
|
Г-н |
|
о |
о |
1—1 |
1-Н |
СО |
||
о о о о о |
о о |
о о |
о |
о о о" |
||||||||||
СМ |
|
о |
|
00 |
см |
см |
ю |
со |
со |
см |
ю |
см |
см |
|
СМ |
|
со |
|
Ш1 |
|
|
05 |
rj« |
СП |
|
СП |
|
|
|
СО |
|
ю |
|
п |
|
|
m |
СО |
|
LO |
|
|
||
05 |
t"- |
05 |
со |
05 |
СМ |
■чн |
05 |
05 |
05 |
СП |
05 |
1^. |
|
|
нн |
|
1 |
|
?Н |
|
1-Н |
ю |
|||||||
I |
05 |
|
to |
со со |
1 1 1 |
ю |
1 |
ю |
||||||
1 |
СЮ |
СЛ |
см |
05 |
05 |
1 |
1 |
1 |
05 |
1 |
05 |
05 |
||
СО |
|
|
|
|
on |
см гм |
1-Н |
исм: ) |
|
1-Н |
||||
|
05 |
|
1Л |
|
|
in |
СО |
СП |
|
05 |
|
|
||
05 |
|
|
05 |
|
|
05 |
05 |
05 |
|
|
|
|||
1—1 |
|
|
|
*"н |
|
|
|
г-* |
1-Н |
|
т—< |
|
|
Г- СО СМ
СО Ef
CL
f- <D
с
t*- |
о |
Сн |
|
со |
см |
in |
Ю |
ю |
со |
t'- |
00 05 h- |
со |
|||
СО |
CN |
|
Tt« |
см |
см |
I*- |
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
го |
|
|
|
|
|
|
|
Я |
|
|
|
|
|
|
|
>1 |
|
|
|
|
|
|
|
CU |
|
|
|
|
Я |
|
|
ѳ |
|
|
|
я |
=: |
|
|
3 |
и |
|
« |
|
|
|
|
я |
си |
|
я |
|
|
|
|
|
>1 |
|
о |
я |
|
|
|
|
ю |
а |
гая |
|
3 |
|
|
|
я |
я |
|
|
|
|
|
оC L |
CL |
|
||
н |
£ |
н |
с |
о |
S |
о |
с |
ю |
X |
N- СО см со h- CD Tt< о см
а. |
|
|
к |
о. |
а« |
гая |
|
я |
Ö |
||
2 |
« |
о |
іи |
ц |
и |
||
|
п |
о |
я |
я |
\о |
ч |
со |
о |
>> |
||
н и |
tr |
ч/ |
\о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
га |
|
га |
я |
га |
|
гао. |
га |
|
к |
|
|
a |
«=tи . |
га |
о, |
|
га |
ч |
|
я |
0 |
и. |
га |
||||||
я |
U |
и* |
га |
я |
з |
и |
о |
Ct |
||||
E |
|
с; |
о |
га |
|
г |
fr“ |
Я |
о |
я |
>1 |
|
О і5^ |
|
н |
ч |
а. |
ш |
С( |
я |
к |
я |
ч |
с |
г |
£г |
< |
CQ |
>» |
CQ |
со |
И |
< |
|||||
СО |
со |
|
іо |
СО |
|
со |
05 |
о |
т—( |
1-Н |
со |
|
|
|
|
|
|
см |
нН |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1-Н |
|
|
нН |
114
р.Вычегды у г. Сыктывкара и р. Пинеги у с. Кулогор обусловлена
вравной мере подвижностью донных частиц и относительно высо кой кинетичностыо потока. Характерное для р. Амударьи сочета ние легкой подвижности донных частиц с сильной кинетичностыо
U
потока дает значения показателя у г г ----- , резко выделяющиеся w0
из всего ряда наблюдений.
Чем больше возможная интенсивность русловых деформаций, тем более вероятно нарушение устойчивости русла случайными воз действиями. Поэтому в реках с большими значениями показателя
УИг----- устойчивые плёсовые лощины встречаются редко или сов-
Wa
сем не встречаются. Их почти нет на реках Пинеге и на Северной Двине, они полностью отсутствуют на р, Амударье. Судя по данным табл. 10, устойчивые плёсовые лощины с формой русла, близкой к цилиндрической, не могут формироваться, если среднее значение
показателя возможной интенсивности деформаций VFr----- |
превы- |
Wo
шает З-т-4.
Подсчеты, сделанные по небольшому числу перекатных участков рек Волги, Оки, Ветлуги и Северной Двины, позволили установить, что при высоких паводочных уровнях значения показателя
VFr----- |
на перекатах в 2—4 раза больше, чем в смежных плёсовых |
Wo
лощинах. Этот результат находится в полном согласии с известным фактом интенсивных переформирований перекатов в высокую воду. При переходе к меженным уровням различия в значениях показа теля возможной интенсивности деформаций на перекатах и в плё сах сглаживаются, но полностью не исчезают.
ГЛАВА 5
РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ НЕУКРЕПЛЕННЫХ КАНАЛОВ
§5.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА
Внастоящее время применяются три метода расчета каналов: метод теории режима, метод предельной влекущей силы и метод допустимых скоростей. Метод теории режима возник в конце прош лого столетия в связи со строительством оросительных систем в Се верной Индии. Метод предельной влекущей силы был разработан
вСША в начале 1950-х гг. Метод допустимых скоростей был создан
вСССР в 1930— 1940 гг. Мы остановимся кратко на всех трех ме тодах.
Теория режима
Метод теории режима ведет свое начало с публикации статьи Р. Кеннеди [80], в которой впервые появилось понятие режимного канала. Наиболее крупный из современных сторонников теории ре жима Т. Бленч определяет режимный канал как такой проложен ный в несвязном грунте канал, ложе которого испытывает лишь об ратимые сезонные деформации [58]. Более кратко говорят, что режимный — это незанляющийся и неразмываемый канал. Согласно терминологии, принятой в этой книге, режимным является канал, обладающий временной устойчивостью.
Основу теории режима составляет простая и верная идея, ко торая, однако, не была отчетливо сформулирована ни одним из адептов этой теории. В настоящее время ее можно изложить так: механическая система, состоящая из взвесенесущего турбулентного потока и русла, сложенного сыпучей средой, способна приходить в состояние статистического равновесия, при котором колебания вы соты дна, вызванные грядовым движением донных частиц, совер шаются около постоянных средних значений, а ширина и средняя глубина русла остаются неизменными. Задачей теории режима дол жно быть отыскание условий такого статистического равновесия. К сожалению, не будучи должным образом поставлена, эта задача решалась чисто эмпирическим путем или в лучшем случае с по мощью нечетких интуитивных соображений. Результатом такого подхода явилось огромное количество решений, лишь немногие из которых могут претендовать на что-нибудь большее, чем региональ ная формула, пригодная к кругу тех объектов, где она была полу чена. В истории техники трудно, пожалуй, найти более яркий при-
116
мер того, сколь медленное и малопродуктивное продвижение дает, несмотря на усилия многих людей и наличие обширных данных, чи сто эмпирический способ решения задачи.
Первой зависимостью теории режима была формула, составлен ная Р. Кеннеди на основе опыта эксплуатации каналов ороситель ной системы Бари-Доб (Пенджаб, Индия) 1
£/=0,55/г0,64. |
(5.1) |
Эта формула связывает всего две переменные: среднюю ско рость воды и наполнение режимного канала. По этому типу Кен неди составил формулы для нескольких других оросительных си стем, также поступили еще несколько инженеров, работавших в Индии. Для каждой группы устойчивых каналов получались свои значения показателя степени и множителя при h. Шаг вперед в 1919 г. сделал Е. Линдли (цитируется по Лелявскому [27]), кото рый к связи между скоростью и наполнением добавил связь между наполнением и шириной канала по дну b<j. Формулы Линдли имеют вид:
£7=0,57 А0,57,
|
А0=7,9А 1,61. |
(5.2) |
|
|
|
Свой современный вид теория режима приобрела в результате |
||
работ Дж. Лейси |
[81, 82]. Заново обработав данные |
по каналам |
Кеннеди, Лейси в 1930 г. предложил формулы: |
|
|
|
и = 0 , 6 5 / ' /гЯ'/г, |
(5.3) |
|
X=4,84Q1/\ |
(5.4) |
Величина f в |
формуле (5.3) есть коэффициент |
заиляемости |
(silt factor). Дж. Лейси принял его пропорциональным корню квад
ратному из диаметра донных частиц |
|
f = b 0 d ' ! \ |
(5.5) |
Для каналов Кеннеди при средней крупности донных частиц около 0,4 мм значение f= 1 (f — безразмерная величина, все чис ленные коэффициенты в формулах Лейси — размерные).
В 1935 г. Лейси опубликовал формулу средней скорости, играю щую для режимного канала ту же роль, что формула Шези—Ман нинга для потока в недеформируемом русле
£ /= -^ р - R v 4 'u, |
(5.6) |
1 Все эмпирические формулы теории режима приводятся |
в метрической |
системе мер. Значения диаметра частиц выражаются в метрах. |
|
117
где п — коэффициент шероховатости. Установив далее на основе на турных измерений связь между коэффициентом шероховатости и коэффициентом заиляемости
/і= 0 ,0 3 3 /ѵ‘ |
(5.7) |
и использовав формулу (5.3), Лейси смог получить выражение для средней скорости, содержащее только гидравлический радиус и уклон,
U = U R 4,I4\ |
(5.8) |
Введя расход воды Q—%RU и применив формулу |
(5.4), можем |
представить уравнение (5.8) в виде |
|
Д =0,237 (-^у—-) /Г'- |
(5.9) |
Согласно концепции Лейси, формулы (5.4) и (5.8) имеют уни версальный характер — они применимы ко всем режимным кана лам независимо от крупности частиц несвязного грунта, слагаю щего их ложе. Если расход Q и уклон / заданы, формулы (5.4) н (5.8) определяют единственным образом поперечные размеры ре жимного канала.
Если уклон входит в число неизвестных, задачу можно решить лишь зная крупность частиц грунта (коэффициент заиляемости). В группе каналов с одинаковыми грунтовыми условиями, кроме уни версального соотношения пропорциональности
Y. ~ Q 4', |
(5Л0) |
действительны соотношения: |
|
R ~ Q 4a |
(5.11) |
/ — Q~'u. |
(5.12) |
Соотношения пропорциональности (5.10) — (5.12) составляют то ядро предложений Лейси, которое сохранилось в большинстве по следующих разработок теории режима.Усилия исследователей были направлены главным образом на уточнение вида и численных значений размерных коэффициентов пропорциональности, содержа щихся в этих формулах. Параллельно продолжали появляться и но вые формулы со структурой, отличной от структуры формул Лейси. Обзор работ по теории режима до начала 50-х годов содержится в книге С. Лелявского [27]. Из исследований последнего времени наибольший интерес представляет работа Д. Саймонса и М. Аль бертсона [92], в которой соотношения Лейси сопоставлены со све жим натурным материалом.
Д. Саймонс и М. Альбертсон использовали данные по пяти груп пам устойчивых каналов: Пенджаба (Индия), Синда (Пакистан), Сен-Луис Велли, Импириел Велли и штатов Иоминг, Колорадо, Не браска (США). Каналы последней группы близки к каналам Пенд
118