Файл: Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов.pdf

где D, х, у — эмпирические параметры и

N

E = g ( p s — p ) y* j W o i S i

1

— мощность турбулентных пульсаций, расходуемая в единице объ­ ема на поддержание разнородных твердых частиц во взвешенном состоянии (і — номер и N — общее число фракций). Последнее вы­

развернулось широкое ирригационное строительство. Наибольший размах эти работы получили в Хорезме — одном из древнейших на земле районов орошаемого земледелия.1 Каналы Хорезма получают воду из р. Амударьи, отличающейся очень высоким стоком взвешен­ ных наносов. По наблюдениям на гидростворе Керки, среднедекад­ ное содержание взвешенных наносов достигает во время паводка (в апреле—мае) 5—6 кгс/м3.

Основную массу взвешенных наносов составляют пылеватые ча­ стицы с диаметром 0,01—0,05 мм. При температуре 15°С это соот­ ветствует диапазону гидравлической крупности 0,00006—0,0014 м/с.

Для перехвата наносов в головах каналов устраиваются отстой­ ники. Производимая ими очистка воды никогда, однако, не бывает полной и первые километры магистральных каналов обычно заиляются. Задача проектирования состоит в том, чтобы предотвратить заиление основных частей каналов.

В 1930 г. Среднеазиатский научно-исследовательский институт ирригации (САНИИРИ) поставил на каналах Хорезма обширные наблюдения. Позднее (в 1940—1941 гг.) наблюдения на одном из каналов были проведены Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации (ВНИИГиМ). В 1929— 1930 гг. и в 1935 г. были произведены наблюдения (в небольшом объеме) также на каналах, питающихся из рек Чу, Сырдарьи, Чирчик и Вахша.

На основе накопленных данных во второй половине 30-х годов было создано несколько эмпирических формул для критической, т. е. отвечающей началу выпадения частиц концентрации взвешен­ ных наносов в каналах. Такие формулы были составлены В. В. Пославским, Г. С. Чекулаевым, А. А. Черкасовым, Г. О. Хорстом.

Вкаждой из этих формул были использованы данные, относящиеся

копределенному циклу измерений (группе каналов), и вне этого цикла (группы каналов) формулы оказывались ненадежными.

Такого же типа формула была предложена позже А. Г. Хачатряном [44], использовавшим наблюдения ВНИИГиМ на канале КульАрык.

1Ирригационные сооружения в Хорезме ведут свою историю с конца брон­ зового века.

123

Анализ всей совокупности натурных измерений на каналах Сред­ ней Азии произвел Е. А. Замарин [21]. Кроме этих данных, он ис­ пользовал также измерения на каналах бассейнов рек Араке и Ку­ бань. В результате им была предложена эмпирическая формула критической концентрации, которая в несколько измененном виде была введена в 1951 г. во временные ТУ и Н на проектирование оросительных каналов Министерства сельского хозяйства СССР и получила тем самым официальное признание. Формула Замарина [21] имеет вид

где Sgc — критическая концентрация, кге/м3;

N

— среднее взвешенное значение гидравлической крупности нано­ сов; рі — процентное (по весу) содержание і-той фракции; числен­ ный коэффициент в формуле (5.17) — размерный. Формула (5.17)

Если вместо Sgc подставить в формулу (5.17) фактическую ве­ совую концентрацию Sg взвешенных наносов в воде, которой пита­ ется канал, то, решая относительно U, получаем формулу незаиляющей скорости

Применив формулу Шези—Маннинга, можно представить фор­ мулу (5.18) в виде

Работа по усовершенствованию формул критической концентра­ ции продолжалась и после появления формулы Замарина. Новые зависимости были предложены С. А. Гиршканом, А. Н. Гостунским и С. X. Абальянцем. Мы остановимся здесь только на формуле Абальянца, полученной на основе обширного опытного материала.

Кроме данных, использованных Замариным, Абальянц [1] про­ анализировал измерения САНИИРИ 1951— 1952 гг. на каналах среднего течения р. Амударьи, новые измерения (1953 г.) на кана­ лах Хорезма, измерения на каналах системы «Народная Победа» в бассейне р. Хуанхе (КНР), измерения на лабораторном и поле­ вом опытных каналах САНИИРИ и некоторые другие. Формула критической концентрации Абальянца имеет вид

124

Так как, в отличие от формулы Замарина, формула Абальянца не содержит уклона (не учитывает шероховатость дна канала), то

найти, что эта формула дает более высокие значения незаиляющей скорости, чем формула Абальянца (5.21). Обратное соотношение имеется, очевидно, между значениями критической концентрации. А. В. Ефремов [17], сравнив ряд формул критической концентра­ ции с данными наблюдений на заиляющихся каналах среднего те­ чения р. Амударьи, нашел, что формула Замарина систематически занижает значения критической концентрации. Так как такое зани­ жение дает запас в расчетах, то формула Замарина сохранила свое значение основной расчетной зависимости при проектировании оро­ сительных каналов. Заметим, что пользование заниженными зна­ чениями критической концентрации приводит в действительности к вредным последствиям: каналам придаются слишком узкие и глу­ бокие сечения и они оказываются неустойчивыми.

По иному пути пошли при проектировании деривационных ка­ налов гидроэлектрических станций. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений [40] рекомендуют пользоваться формулой незаиляющей скорости типа формулы Лейси (5.3). Если поток в канале транспортирует мелкие взвешен­ ные наносы (крупностью менее 0,25 мм), расчетная формула имеет простой вид

É/+=0,51/7?. (5.22)

Согласно основному принципу метода допустимых скоростей [21], скорость течения в канале должна быть не больше неразмы­ вающей для грунтов дна и откосов канала и не меньше незаиляю­ щей для поступающих в канал взвешенных наносов

(5.23)

Неразмывающая скорость U0 в каналах заметно превосходит скорость начала трогания русловых наносов, т. е. ту скорость, кото­ рую принято называть неразмывающей в экспериментальных и тео­ ретических исследованиях. Аналогичный результат, как мы видели, был получен Лейном в отношении допустимого касательного напря­ жения. К сожалению, это обстоятельство не учитывается сущест­ вующей терминологией. Вероятно, правильно было бы предельную допустимую скорость течения в каналах именовать размывающей — термин, который применяли В. Н. Гончаров [7] и Г. И. Шамов [49]. По Шамову, размывающая скорость, определяемая как скорость течения при начале массового движения донных частиц, в 1,3 раза больше неразмывающей (скорости начала трогания). Примерно

125

такое же соотношение имеется между предельными скоростями, ко­ торые дает таблица, составленная для каналов Замариным, и нераз­ мывающими скоростями, рассчитанными по формулам В. С. Кнороза [24] и В. Н. Гончарова [7], основанным на лабораторных опытах.

Объем земляных работ при строительстве канала зависит от площади живого сечения и от уклона дна канала. Если уровень воды в месте водозабора фиксирован, увеличение уклона дна озна­ чает увеличение глубины выемки. Однако, поскольку канал должен командовать над местностью, широко варьировать уклоном нельзя, и прямое влияние уклона на объем работ оказывается более сла­ бым, чем влияние площади живого сечения. Отсюда возникает тен­ денция строить каналы с возможно меньшей площадью живого се­ чения. В рамках метода допустимых скоростей это приводит к тре­ бованию иметь скорость течения в канале равную неразмывающей.

Большинство формул неразмывающих скоростей указывает на пропорциональность неразмывающей скорости гидравлическому радиусу в степени от Ѵв (И. И. Леви и В. С. Кнороз— для мелких частиц) до Vs (В. Н. Гончаров). Примем для удобства записей этот показатель степени, по Г. И. Шамову, равным 1/6. В общем виде бу­ дем иметь

Ua= f { d ) R '< \

Скорость течения в канале выразим по формуле Шези—Ман­ нинга

U = — R4 4'<\

п 4

Приравнивая U = U0, найдем

Если d и я известны, то задавшись уклоном I, можно найти от­ сюда значение гидравлического радиуса. При известных гидравли­ ческой крупности и концентрации взвешенных наносов это позво­ ляет определить незаиляющую скорость. Если U+^U0, полученное значение R окончательное и можно переходить к выбору элементов трапецеидального поперечного сечения — ширины по дну и напол­ нения.

Если U+>Uo, необходимо либо принимать меры по осветлению поступающей в канал воды, либо увеличивать уклон дна канала. Второе из этих мероприятий имеет малую эффективность. Действи­ тельно, при соблюдении условия U = Uo гидравлический радиус ме­ няется, согласно (5.24), обратно пропорционально уклону. Так как варьирование уклоном ограничено, то и уменьшение R при увели­ чении / не может быть большим. Незаиляющая же скорость умень­ шается с уменьшением R очень слабо. В итоге получаем, что, увели­ чивая уклон, но сохраняя требование U = U0, нельзя существенно уменьшить незаиляющую скорость. Практика проектирования

126

часто предпочитает двум указанным возможностям — постройке от­ стойного сооружения и увеличению уклона — третий путь. Он со­

мывающей. Тем самым в канале допускается интенсивное движе­ ние донных наносов.

Таковы основы расчета каналов по методу допустимых скоро­ стей.

При сравнении метода допустимых скоростей с методом теории режима обращает на себя внимание рационализм первого из них, логика его построений. Однако при внимательном рассмотрении тут же обнаруживается, что в цепи этих логических построений име­ ется зияющий пробел — полностью оставлена вне поля зрения спо­ собность руслового потока самому вырабатывать форму русла, са­ мому создавать и регулировать шероховатость своего дна. Пред­ ставление о потоке и русле как о самоуправляющейся системе, составляющее ядро теории режима, совершенно чуждо методу до­ пустимых скоростей. Эмпирический характер расчетных зависимо­ стей есть общий недостаток обоих методов.

Каким должен быть путь улучшения расчета каналов? Существо задачи — создание подвижного русла, обладающего временной ус­ тойчивостью — предопределяет необходимость учета взаимодейст­ вия между потоком и руслом. Это исходное положение — одно из фундаментальных положений теории руслового процесса — должно найти конкретное выражение в виде связей между элементами по­ тока, сопротивлением подвижного дна и формой поперечных сече­ ний. Эти связи следует представлять полуэмпирическими, т. е. та­ кими, структура которых имеет теоретическое основание, а числен­ ные постоянные определены из опыта.

Основное препятствие на указанном пути составляет недостаток наших знаний о механизме взаимодействия между потоком и рус­ лом. Мы мало знаем о том процессе переформирований грядового дна, который обеспечивает в устойчивых руслах однозначное соот­ ветствие между расходом воды и русловым сопротивлением. Еще меньше мы знаем о процессе развития общих форм русла, в итоге которого достигается соответствие между расходом воды и разме­ рами поперечных сечений. Поэтому для создания научно обоснован­ ного метода расчета каналов потребуется время. Однако начать работу, а именно дать такой метод в первом приближении, можно

щий региональных ограничений и, по-видимому, более надежный, чем существующие методы.

127