Развитие теории, методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, доктор технических наук Курбанов, Салигаджи Омарович

• Курбанов, Салигаджи Омарович
• доктор технических наук
• 2013

Оглавление диссертации доктор технических наук Курбанов, Салигаджи Омарович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ С ПРИЗМАТИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.

1.1. Краткая характеристика и анализ имеющихся методов гидравлического расчета каналов призматического профиля.

1.2. Способы расчета каналов на равномерный режим движения воды.

1.3. Анализ методики расчета гидравлически наивыгоднейших сечений каналов полигонального профиля по Угинчусу А.А.

1.4. Облицовки каналов и надежность их работы.

1.5. Регулирование русел и проблемы защиты прибрежных зон.

1.6. Расчетные характеристики устойчивости грунтов русел рек и каналов. Критерии начала эрозии.

1.7. Анализ расчетной модели транспорта руслоформирующих наносов и размыва русла турбулентным потоком.

1.8. Цели и задачи исследований.

Глава 2. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ.

2.1. Аналитические исследования гидравлических характеристик каналов полигонального сечения с двумя парами симметричных откосов.

2.2. Исследования гидравлических параметров каналов полигонального сечения с тремя парами симметричных откосов.

2.3 Аналитические исследования каналов полигонального сечения с четырьмя и более (п-ми) парами симметричных откосов.

2.4. Исследования полигональных каналов с несимметричными поперечными профилями.

2.5. Исследование критических глубин и гидравлических режимов работы каналов полигонального профиля.

2.6. Выводы по 2 главе.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И НАДЕЖНОСТИ КАНАЛОВ И РУСЕЛ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ И ПРИВЕДЕНИЕ ИХ К ПОЛИГОНАЛЬНОМУ ПРОФИЛЮ.

3.1. Программа и методика проведения исследований.

3.2. Исследование каналов трапецеидального сечения и приведение их к полигональному профилю.

3.3. Исследования гидравлических характеристик и параметров надежности магистральных каналов Чегемской ООС.

3.4. Исследования наносного режима и абразивного износа облицовки.

3.5. Мероприятия по повышению эксплуатационной надежности облицованных каналов прямоугольного сечения.

3.6. Новые технические решения, направленные на повышение надежности и эффективности работы каналов.

3. 7. Аналитические исследования сечений зарегулированных русел.

3.8. Выводы по главе 3.

Глава 4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ РЕК И НАДЕЖНОСТИ ЗАЩИТНО-РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ.

4.1. Анализ проблем регулирования русел и защиты прибрежных зон.

4.2. Программа и методика проведения исследований.

4.3. Натурные исследования надежности работы берегоукрепительных сооружений, применяемых в практике водохозяйственного строительства на Северном Кавказе.

4.4. Исследование защитно-регуляционных сооружений комбинированных и биопозитивных конструкций авторской разработки.

4.5. Исследование биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений на равнинном участке р. Терек.

4.6. Исследование биопозитивных конструкций защитно-регуляционных сооружений на предгорном участке р. Черек.

4.7. Проектирование и расчетное обоснование полузапруд-отбоек и откосных креплений комбинированных и биопозитивных конструкций.

4.8. Исследование способов возведения защитно-регуляционных сооружений и креплений в период паводков.

4.9. Вйводы по главе 4.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕПРОВОДЯЩИХ РУСЕЛ И СООРУЖЕНИЙ В БАССЕЙНЕ р. ГЕРХОЖАНСУ КБР.

5.1. Анализ и общая характеристика селевой проблемы в КБР.

5.2. Исследование динамики развития русловых процессов на селеопасных участках бассейна реки Герхожансу

5.3. Исследование пропускной способности селепроводящего лотка реки Герхожансу и надежности работы селезащитных сооружений.

5.4.Эффективные конструкции селепроводящих и селезащитных сооружений авторской разработки.

5.5. Рекомендации по предотвращению возможных ЧС и повышению эффективности защиты прибрежных зон.

5.6. Выводы по главе 5.

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ КАНАЛОВ И ЗАРЕГУЛИРОВАННЫХ РУСЕЛ ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ.

6.1. Научные основы и методология оптимизации полигональных сечений каналов и зарегулированных русел.

6.2. Методика и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов полигонального профиля.

6.3. Построение теоретических моделей и методики гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов полигонального профиля.

6.4. Методика расчета лотковых каналов полигонального профиля на неравномерный режим движения воды.

6.5. Методика расчетного обоснования зарегулированных русел полигонального профиля.

6.7. Выводы по главе 6.

Глава 7. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

БИОПОЗИТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО РЕГУЛИРОВАНИЮ

РУСЕЛ И ЗАЩИТЕ ПРИБРЕЖНЫХ ЗОН.

7.1. Проблемы экологической безопасности природно-технических систем прибрежных зон на Юге России

7.2. Основы экологизации ПТС и прибрежных водоохранных зон.

7.3. Производство и выпуск сборных биопозитивных изделий из местных материалов для биоинженерных ПТС.

7.4. Эффективные и биопозитивные конструкции биоинженерных систем по регулированию русел.

7.5. Эффективные конструкции биоинженерных систем по защите прибрежных зон.

7.6. Эффективные технологии изготовления и возведения биоинженерных систем по регулированию русел и защиты прибрежных зон.

7.7. Эффективные и биопозитивные конструкции и способы возведения дренажных систем земляных сооружений.

7.8. Научные основы проектирования биоинженерных систем по регулированию русел и защите прибрежных зон.

7.9. Выводы по главе 7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории, методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением»

Актуальность проблемы. Гидротехнические каналы и защитно-регуляционные сооружения являются самыми древними, распространенными и протяженными сооружениями. Вместе с тем обеспечение пропускной способности больших каналов, зарегулированных русел и надежной защиты прибрежных зон в период половодий и паводков является серьезной проблемой для многих регионов мира. Ежегодно значительные территории попадают под затопления и размыв, в результате этого причиняется огромный ущерб экономикам различных стран. Только по регионам Северного Кавказа каждый год, приносимый материальный ущерб от паводков рек достигает полутора миллиардов рублей.

Существующие методы расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел не в полной мере позволяют в процессе проектирования подобрать оптимальные параметры их сечений и разработать эффективные конструкции креплений последних. Для каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением вообще отсутствуют научно обоснованные методы их проектирования. Применяемые в настоящее время конструкции облицовок и защитно-регуляционных сооружений нуждаются в совершенствовании и адаптировании к природной среде, а также в разработке природоохранных технологий их возведения. Научная проблема состоит в необходимости:

- разработки теории и методологии гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- совершенствовании природно-технических систем с помощью биопозитивных конструкций для регулирования русел и защиты прибрежных зон с учетом геоморфологических условий рек.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» и ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова», а также согласно Межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2006 - 2010 годы, и заданию 07 «Разработка научно-методической основы и технологии экологически безопасного водопользования в АПК и эффективного функционирования мелиоративных и водохозяйственных систем».

Цель работы заключалась в разработке методологии расчетного обоснования и проектирования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, и научных основ проектирования биоинженерных систем защитно-регуляционных креплений.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие основные задачи:

- изучить и исследовать существующие методы расчетного обоснования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, осуществить и сделать комплексный анализ получаемых результатов, на предмет их достоверности и пригодности для практического использования;

- разработать научные основы и методологию гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- исследовать гидравлические характеристики каналов с полигональным поперечным сечением и с различным числом симметричных откосов т2, тз, т^.Шг) и шириной понизу ь > о, установить влияние полигональной формы поперечного сечения канала на гидравлические условия и эффективность его работы;

- осуществить мониторинг и комплексный анализ гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел призматического профиля (прямоугольных и трапецеидальных) в натурных условиях, найти конструктивные и технологические решения для приведения их к полигональному поперечному сечению;

- выполнить экспериментальные натурные исследования надежности работ защитно-регуляционных сооружений авторской разработки в условиях предгорных и равнинных участков рек, определить факторы и критерии эффективности их работы с учетом геоморфологических особенностей и гидрологических условий мест их расположения;

- провести полевые натурные исследования на транзитном участке селепро-водящего русла р. Герхожансу с целью выявления природного механизма формирования динамически устойчивого русла с поперечным сечением, очертания которого близки к гидравлически эффективному полигональному сечению;

- разработать методологию и критерии оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов и зарегулированных русел;

- разработать методику и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов с полигональным поперечным сечением, имеющих несколько откосов различного заложения (т¡, Ш2 и тз), а также ширину понизу Ь > О;

- разработать теоретические модели и методику гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением и различным по высоте сечения числом симметричных откосов (т], т2, тз) я шириной понизу Ъ > О;

- получить аналитические зависимости для определения критических глубин, а также усовершенствовать метод гидравлического расчета лотковых каналов с полигональным поперечным сечением с неравномерным режимом движения воды;

- разработать методику регулирования небольших участков рек и расчетного обоснования параметров их наивыгоднейших поперечных сечений;

- разработать биопозитивные конструкции сооружений для регулирования русел природно-технических систем защиты и восстановления прибрежных нарушенных зон с учетом геоморфологических и гидрологических условий;

- развить теорию и методологию расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- разработать научные основы проектирования и последующего возведения защитно-регуляционных сооружений предлагаемых конструкций для русел рек и каналов, а также защиты прилегающих к ним территорий. Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- теория и методология расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля;

- методы проектирования и расчетного обоснования транзитных лотков полигонального профиля, и система оценок их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности в условиях бурного режима движения воды;

- модели и методы гидравлического и технико-экономического расчетов гидротехнических каналов с полигональным поперечным сечением различного назначения;

- методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел.

- конструктивные и технологические решения биоинженерных систем регулирования русел и защиты прибрежных зон.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны научные основы и общие методологические подходы к расчетному обоснованию каналов и зарегулированных русел призматического профиля с учетом геоморфологических условий их прохождения;

- получены новые расчетные зависимости и критерии, наиболее точно характеризующие полигональные сечения и позволяющие выполнить с высокой достоверностью гидравлические расчеты каналов и зарегулированных русел;

- разработаны научные основы и методика оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов;

- разработаны теоретические модели и методы гидравлического расчета энергетических каналов с симметричными и несимметричными полигональными поперечными сечениями;

- теоретически получены новые расчетные зависимости для определения критических глубин каналов с полигональным поперечным сечением и на их основе усовершенствована методика гидравлического расчета лотковых каналов, работающих с неравномерным режимом течения;

- исследованы в натурных условиях новые типы защитных креплений и регуляционных сооружений, конструкции которых предложены автором диссертации, определены параметры и критерии эффективности и надежности их работы;

- разработаны и внедрены в практику новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел;

- предложена усовершенствованная система оценок гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел с полигональным поперечным сечением.

- на основе концепции экологизации природно-технических систем получены новые конструктивные и технологические решения, подтвержденные патентами РФ, для биоинженерных систем регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных и нарушенных зон. Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена 30 патентами, авторскими свидетельствами и положительными решениями на изобретения Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Достоверность теоретических, разработанных автором положений подтверждена сходимостью аналитических предпосылок и результатов экспериментальных и натурных исследований, проведенных на действующих магистральных каналах предгорной зоны КБР, а также на предгорных и равнинных участках рек Северного Кавказа.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

- новые методы гидравлического расчета каналов полигонального профиля различного назначения, позволяющие повысить достоверность результатов и сократить объем расчетов более чем в два раза;

- расчетные модели, позволяющие использовать современные вычислительные системы проектирования каналов и русел полигонального профиля;

- рекомендации по повышению гидравлической эффективности, экологической безопасности и эксплуатационной надежности каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

- рабочие проекты берегоукрепительных сооружений, выполненные с использованием новых технических решений, авторской разработки;

- методические рекомендации по проектированию конструкций защитно-регуляционных природоохранных сооружений;

- новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русл;

- биоинженерные системы регулирования русел и защиты прибрежных зон, позволяющие восстановить природный саморегулирующийся механизм рек и естественный ландшафт прибрежных зон.

Реализация результатов исследований

Разработанные новые методы гидравлического расчета каналов и регулирования русел полигонального профиля приняты к внедрению в производство проектными и водохозяйственными организациями: ОАО «Севкавгипро-водхоз», ОАО «Даггипроводхоз»., ООО Научно-производственная фирма «Берег» и ФГБУ «Каббалкмелиоводхоз», ФГУ «Запкаспводхоз», ФГУ «Дагводресурсы». Эти методы внедрены и в учебные процессы высших образовательных учреждений КБГСХА, МГУП и ДГТУ. Новые технические решения по проектированию берегозащитных и русло-регулировочных сооружений прошли производственную проверку 1991

2009 годах на реках Северного Кавказа - на разных участках р. Терек, на р. Черек, на р. Чегем, на р. Нальчик, на р. Самур и на ряде других рек. Личное участие автора в получении результатов диссертационной работы выразилось в постановке проблем и генерировании основных идей и путей их разрешения; планировании, подготовке и проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также в анализе их результатов. Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на научно-технических советах проектных, научных и производственных организаций ОАО «Севкавгипроводхоз», ОАО «Каббалкгипроводхоз», ОАО «Дагги-проводхоз», ФГУ «Дагводресурсы», ФГУ «Запкаспводхоз», ФГОУ ВПО КБГСХА, в комитете Водных ресурсов КБР в 1998-2006 гг; на кафедрах Гидравлики и ГТС МГУП в 2007.2011 г; на международной научно-технической конференции по селям в ОАО «Севкавгипроводхоз» (г. Пятигорск, 2003 г); на Всероссийской научно-практической конференции МЧС РФ (г. Москва, 2003, 2004 гг.); на Всероссийских и международных конференциях в ФГОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2003 и 2011 гг); на Всероссийской научно-практической конференции по селям (г. Нальчик, 2005 г.); на Всероссийских научно-практических конференциях, проходивших в Западно-Каспийском БВУ, ДГТУ, НГМА, КБГСХА, г. Махачкала, 2006г, г. Нальчик 2007г, г. Элиста 2008г; на международной конференции «Проблемы мелиорации и воспроизводства почвенного плодородия» КубГАУ г. Краснодар, 2008г; на международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», г. Волгоград, ВолГАСУ и др. 23-24. 04.2009 г.; на научно-технических конференциях КБГСХА в 1995 - 2011 годы; на научно-практических конференциях МГУП в 2003 - 2011 годы; на международной выставке в г. Сочи - 2010г. Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит свыше 60 наименований, в т.ч. 30 изобретений и 16 статей опубликованы в центральных и региональных научно-технических журналах из перечня ВАК: «Гидротехническое строительство», Вестник ВолгГАСУ «Строительство и архитектура», «Мелиорация и водное хозяйство», «Экология и промышленность РФ», «Известия» Вузов. Технические науки СКР, «ЮГ РОССИИ», «Природообустройство» МГУП. Общий объем публикаций свыше 25 п.л.