Совершенствование методов борьбы с ледовыми явлениями на незарегулированных водотоках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Верхоглядов, Андрей Александрович

• Верхоглядов, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Верхоглядов, Андрей Александрович

Введение.

Глава 1. Ледовые процессы на водотоках в период ледохода.

1.1. Ледоход на территории России.

1.2. Ледовые затруднения в период ледохода.

1.3. Ледоход на реках Дальнего Востока.

1.4. Ледовый режим многорукавного русла.

1.5. Заторные явления на незарегулированных участках рек

Выводы по главе 1.

Глава 2. Моделирование ледовых явлений и потоков с ледовыми образованиями.

2.1. Моделирование ледовых явлений.

2.2. Кинематика ледохода.

2.3.Метод борьбы с заторообразованием разломом льдин на «затопленном ледобое».

2.4. Расчет параметров конструкции широкого порога затопленного ледобоя.

2.5. Расчет напряжений, возникающих в ледовом поле.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Физическое моделирование ледохода на равнинной реке с инженерным сооружением.

3.1. Постановка задачи. 49 3.2.Описание условий создания модели и проведения лабораторных исследований.

3.3. Планирование эксперимента

3.4. Результаты моделирования редкого ледохода.

3.5. Статистическая обработка экспериментальных данных.

3.6. Построение исправленных полей скоростей.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Моделирование ледовых затруднений на мостовом переходе в электронной среде.

4.1. Назначение модели.

4.2 Математическое основание модели и исходные данные.

4.3. Практическая реализация и структура модели.

4.4. Результаты моделирования.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов борьбы с ледовыми явлениями на незарегулированных водотоках»

Для целого ряда населенных пунктов проблема наводнений вообще и зимних в частности существует со времен основания. И если пагубные для хозяйственной деятельности человека последствия летних дождевых паводков удалось значительно снизить путем строительства дамб и защитных сооружений, то в случае с зимними паводками деятельность человека лишь усугубила ситуацию.

Данная ситуация потребует решения весьма сложного комплекса задач, направленных на системное моделирование ледохода и принятие нестандартных инженерных решений, направленных на предотвращение негативных последствий ледовых заторов и зажоров.

Зимние режимы рек нашей страны в целом весьма сходны между собой (различия задаются местными гидрологическими условиями, характером паводковых и меженных периодов, притоками и их размерами, осадками, антропогенным влиянием на водоток или водоем и другими явлениями) [13, 15, 18]. Вместе с тем существуют и определяемые огромными расстояниями различия, в первую очередь - в происхождении самых интенсивных ледоходов и их характере. В последние десятилетия в связи с активным хозяйственным освоением северных и восточных территорий России все более остро встает проблема прогнозирования и предотвращения негативных (в том числе катастрофических) ситуаций, возникающих вследствие зимних наводнений и весенних ледоходов на реках. Поэтому актуальными становятся работы, которые ставят своей целью разработку комплекса мер, как аналитического, так и технического характера, позволяющих свести к минимуму ледовые затруднения на участке незарегулированного водотока.

В качестве объекта исследований автором была выбрана река Амур, характеризующаяся высокой дружностью ледовых паводков, значительными расходами и большим объемом относительно теплых водных масс, приходящих из притоков выше по течению. Это способствует общему ослаблению льда в период до паводка, что, в свою очередь, провоцирует резкое и синхронное вскрытие ледового покрова проток и основного русла.

Объект диссертационного исследования позволил рассмотреть, возможно, наихудший случай возникновения ледовых затруднений, где одновременно взаимодействуют многорукавное русло, ледовая ситуация, осложненная низкой зарегулированностью водотока, и антропогенные факторы.

Цель работы заключалась в оценке ледоразрушающей способности кривых подпора - спада, вызываемых помещением в поток преграды определенных размеров (так называемых, затопленных ледобоев (ЗЛБ)) методами математического и физического моделирования; в экспериментальных исследованиях закономерностей деформирования и разрушения льда кривыми подпора-спада для получения физической картины происходящих явлений; сравнении эффективности различных схем расстановки затопленных ледобоев (ЗЛБ); в разработке компьютерных программ, предназначенных для прогноза ледовых явлений при различных граничных условиях. Результаты, полученные в рамках работы, применимы и полезны в других схожих ситуациях.

Для достижения указанной цели в работе необходимо было решить следующие задачи: о изучить физические явления, происходящие при взаимодействии препятствия

ЗЛБ) с ледяным покровом; о выделить основные факторы, влияющие на ледоразрушающие свойства ЗЛБ; о проанализировать и выбрать критерии подобия для моделирования деформирования и разрушения ледового покрова кривыми подпора -спада; о разработать физическую модель разрушения ледовых полей на основе естественного льда, приготавливаемого в искусственных (лабораторных) условиях; исследовать механические характеристики модельного льда; о определить алгоритм наивыгоднейшей расстановки ЗЛБ.

Достоверность полученных результатов базируется на том, что исследовались реальные физические процессы, происходящие при взаимодействии ледового покрова и ЗЛБ; применялись апробированные формулы и зависимости; проводилось сопоставление результатов моделирования (после пересчета на натуру) с доступными данными по выбранному водотоку (р. Амур - участок в районе г. Хабаровска).

Научная новизна исследований, осуществлявшихся в рамках настоящей диссертации, состоит в следующем:

• исследовано движение, деформирование и разрушение сплошного свободно плавающего ледяного поля под воздействием кривых подпора-спада, вызванных помещенными в поток препятствиями (ЗЛБ) с заданными параметрами;

• предложены новые зависимости для прогнозирования ледоразрушающих свойств ЗЛБ;

• разработана и апробирована методика лабораторного моделирования ледовых полей при отсутствии термолотка.

Практическая значимость работы состоит в следующем. Разработана схема воздействия на отдельные льдины полностью затопленного водослива с широким порогом (ЗЛБ), заключающаяся в предварительном разрушении ледовых полей кривыми подпора - спада. Результаты исследований использовались при выполнении хоздоговорных работ «Математические модели и компьютерные программы для математического моделирования движения льда, образования зажоров и заторов» (для Государственного института прикладной экологии МПР России в 2003-2005 г.г).

Апробация работы. Основные положения выполненных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МГУП (2003.2006), Международном Конгрессе «Вода: экология и технология» - ЭКВАТЕК (Москва, 2004), Международном Симпозиуме МАГИ по льду (С.-Петербург, 2004), Международной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (ИБП РАН, Москва, 2004).

Инновации, разработанные в данной работе для решения проблемы заторно - зажорных явлений на р. Амур в период ледохода в дальнейшем применимы на любых других равнинных незарегулированных водотоках в схожих ситуациях.

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Верхоглядов, Андрей Александрович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Предложенные в работе схемы затопленных ледобоев (ЗЛБ), являясь с гидравлической точки зрения водосливом с широким порогом, способны оказывать существенное влияние на поверхностное распределение уровней и скоростей в речном потоке, что позволяет прогнозировать разрушение ледовых полей во время ледохода на кривых подпора - спада. Получены формулы, позволяющие определять параметры и расположение ЗЛБ.

2. Для равнинных участков рек локальный рост скоростей от воздействия на поток ЗЛБ составляет в паводок 1% обеспеченности порядка 2,5.5 м/с и обеспечивает высоту перепада до 1,926 м, Длина области влияния ЗЛБ составляет примерно200.250 м, что соответствует примерно половине средней длины ледового поля в период ледохода на равнинной реке.

3. Результаты физического моделирования подтвердили высокую эффективность применения затопленных ледобоев как в индивидуальной, так и в групповой схеме расстановки. Наиболее эффективной схемой расстановки ЗЛБ признана трехступенчатая, при которой два ЗЛБ располагаются друг от друга на расстоянии в 0,75 интервала восстановления (расстояния кривой подпора за ледобоем, т. е. порядка 200.250 м), а третий - на дистанции в полтора интервала. Подобная схема обеспечивает эффективное разрушение ледовых полей различной (от 0,3 до 1,0) сплошности и толщины. Увеличение числа групп ЗЛБ, очевидно, повысит общую эффективность противозаторных мероприятий. Кроме того, выявлено, что затопленные ледобои, стоящие под углом к потоку, создают локальные турбулентные потоки, водовороты, обеспечивающие ослабление льда, прошедшего над более эффективными, в целом, нормально расположенными по отношению к оси потока ЗЛБ.

4. Разработана и апробирована технология моделирования ледовых масс путем намораживания ледовых полей заданной прочности и толщины в морозильной камере, что позволяет вести моделирование ледовых явлений непосредственно льдом при отсутствии криогенного (термического) лотка. В ряде случаев подобный способ явно предпочтительнее моделирования льда иными материалами.

5. Разработанная компьютерная реализация прогнозирования разрушения ледового покрова ЗЛБ позволяет быстро и с малыми затратами сравнивать различные варианты расстановки опор мостового перехода, формы и угла атаки оголовков ледорезов и ледозащитных сооружений при наличии данных о морфологии русла, что позволяет выбрать наилучшее место расположение инженерного сооружения в районе потенциального затора льда.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Верхоглядов, Андрей Александрович, 2006 год

1. Алтунин B.C., Гладков Е.Т., Рябов В.П. Пропускная способность крупных водотоков под ледяным покровом. Труды коорд. совещаний по гидродинамике, вып. 42. JI., 1968. - с.85-98

2. Алтунина Г.С. Пропускная способность каналов на криволинейных участках под ледяным покровом. Дисс. канд. тех. наук. М.: РУДН им. П. Лумумбы, 1989.

3. Альтберг В.Я. Подводный лед. M.-JL: ОНТИ, 1939. - 95с.

4. Афанасьев В.П., Долгополов Ю.В. Воздействие торосистого льда на отдельно стоящие опоры. Труды коорд. совещаний по гидротехнике. Заторы и зажоры на реках СССР и борьба с ними. Л.: Энергия, 1970. - вып 56

5. Беккер А. Т. Разработка методов расчета вероятностных характеристик ледовых нагрузок для оценки надежности сооружений. Дис. д. т. н. Спб, 1998.

6. Белоконь П.Н. Инженерная гидравлика потоков под ледяным покровом. -М.: Госэнергоиздат, 1940

7. Берденников В.П. Условия шугохода в зоне кромки льда при формировании затора. Труды ГГИ, вып. 93. Л., 1962. - с.24-39.

8. Болотников Г.И. Лабораторные исследования воздействия волн попусков на разрушение ледяного покрова в нижних бьефах ГЭС. Труды ГГИ, №287. Л., 1982. - с.80-84

9. Букатов А.Е. Влияние продольного растяжения на развитие изгибно-гравитационных волн в сплошном ледяном покрове. Морские гидрофизические исследования, №4. Севастополь, 1978. - с.26-33

10. Бутягин И.П. Прочность ледяного покрова по экспериментальным исследованиям в натурных условиях. Труды коорд. совещания по гидротехнике, вып. 10. JL, 1964. - с.29-41

11. Бутягин И.П. Прочность льда и ледяного покрова. Новосибирск: Наука, 1966.- 154с.

12. Вейнберг Б.Д. Лед. -М. Л.:Гостехиздат, 1940. 524с.

13. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. 4-е перераб. изд. Л:-М.: Гидометеоиздат, 1946. - 521 с.

14. Воздействие льда на речные сооружения: Сборник трудов новосибирского института инженеров железнодорожного транспорта. -Новосибирск, 1969.

15. Войтковский К.Д. Механические свойства льда. М.: Издательство АН СССР, 1960. - 100с.

16. Генкин З.А. Расчет взламывания ледяного покрова при весеннем вскрытии рек. Труды коорд. совещания по гидротехнике, вып. 11. Л. 1976. -с.76-78

17. Гидравлические сооружения: Справочник проектировщика/ Железняков Г.В., Ибад-заде Ю.А., Иванов П.Л. и др. Под общей ред. Подриги В.Н. М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

18. Пропуск льда через гидротехнические сооружения./ Я.Л.Готлиб, К.Н.Коржавин, В.А.Кореньков, И.Н.Соколов. М.:Энергоатомиздат, 1990.-184с.

19. Готлиб Я.Л., Донченко Р.В., Пехович А.И., Соколов И.Н. Лед в водохранилищах и нижних бьефах ГЭС. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 200с.

20. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1969.-427с.

21. Грушевский М.С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах. Л. Гидрометеоиздат, 1982. - 288с.

22. Дебольская Е.И. Динамика водных потоков с ледяным покровом. М., МГУП, 2003, 278 с.

23. Дебольская Е.И. Современные представления о динамике русловых подледных потоков. Гидрофизические процессы в реках, водохранилищах и окраинных морях. -М.: Наука, 1989.

24. Дебольский В.К., Долгополова Е.Н., Неймарк Р.К. Трехслойная модель подледного течения в реках. Гидротехническое строительство, № 11, 1999. -с.119-122

25. Долгополова Е.Н. Гидравлическое трение в течении под льдом. Водные ресурсы, № 6,1997. с.698-702

26. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. Л.ТМИ, 1975. - 317с.

27. Знаменская Н.С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. С-П.: Гидрометеоиздат, 1992. - 240с.

28. Зуев В.А., Ковалев А.Н. Использование изгибно-гравитационных волн с целью борьбы с ледовыми затруднениями на акваториях. Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей. V конференция. Труды. М.: ИВП РАН, 1999. - с. 127-130

29. Инструкция по учету условий пропуска льда при эксплуатации, проектировании и строительстве гидроузлов. Л., 1977. 18 с.

30. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости: Учеб пособие для вузов. -М.: Энергия, 1980. 360 с.

31. Ковалев Л.М. Расчеты зимнего стока рек с ледяным покровом. М.: Государственное Энергетическое издательство, 1950. - 104с.

32. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Автореферат дис. доктора техн. наук. Владивосток: Институт машиноведения и металлургии, 1993. - 26с.

33. Козлов Д.В. Воздействие льда на речные сооружения с вертикальной и наклонной гранями. Гидротехническое строительство, 1997. №12 с.40-42

34. Козлов Д.В. Волновые процессы в водоемах и водотоках с ледяным покровом. М.: Издательство МГУП, 2001. - 225с.

35. Козлов Д.В. Гидравлические и термические особенности зимнего режима бьефов речных гидроузлов. Автореферат дисс. канд. тех. наук. М.: МГМИ, 1992.-21с.

36. Козлов Д.В. Лед пресноводных водоемов и водотоков. М.: МГУП, 2000.-263с.

37. Козлов Д.В. Развитие теории и методов гидравлических ледотехнических и гидротермических расчетов водоемов и водотоков с ледяным покровом. Дисс. доктора тех. наук. М.:МГУП, 2001. - 361с.

38. Козлов Д.В. Развитие теории и методов гидравлических, ледотермических и гидротермических расчетов водоемов и водотоков с ледяным покровом. Автореферат дисс. доктора тех. наук. М.: МГУП, 2002.

39. Козлов Д.В. Расчеты ледового режима рек. Ледовый режим зарегулированных рек. Пособие с СНиП 2.05.03-84 2 Мосты и трубы». М.: ГК «Трансстрой», 1992. -с.172-176, с.188-192

40. Козлов Д.В., Сабодаш П.Ф. Действие подводного взрыва на ледовую пластину, лежащую на поверхности воды. Экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации. Материалы научно-технической конференции МГУП. М.: МГУП, 2000. с.91-92

41. Комаровский А.Н. Структура и физические свойства ледяного покрова пресных вод. М.: Государственное энергетическое издательство, 1932. -51с.

42. Корень В.И. Математические модели в прогнозах речного стока: Монография. Л. Гидрометеоиздат, 1991. - 199с.

43. Кореньков В.А. Назначение ширины ледосбросных пролетов в гребенках бетонных плотин. Труды V совещания-семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях / т. VIII, вып. II. Красноярск, 1968. С. 29-31.

44. Кореньков В.А. Пропуск льда через сооружения гидроузлов Сибири в строительный период. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Новосибирск, 1969. С. 13-14.

45. Коржавин К.Н. Особенности физико-механических свойств пресноводного льда. Труды коорд. Совещаний по гидротехнике, вып. 10. -Л., 1964.-с.15-27

46. Коржавин К.Н. Пропуск льда при строительстве и эксплуатации гидроузлов. М., 1973. 160 с.

47. Коржавин К.Н. Воздействия льда на инженерные сооружения. Новосибирск: 1962. -203 с.

48. Красильников В.Н. О возбуждении изгибно-гравитационных волн. Акустический журнал АН СССР, Т VIII, вып. 1, 1962

49. Красильников В.Н. Рефракция изгибных волн. Акустический журнал АН СССР, Т VIII, вып. 1, 1962

50. Крицкий С.Н., Меркель М.Ф., Россинский К.И. Зимний термический режим водохранилищ, рек и каналов. М.: Государственное энергетическое издательство, 1947. 155с.

51. Кюнж Ж.А., Холи Ф.М., Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 265с.

52. Латышенков A.M. Сравнение величин предмостового подпора по формулам различных авторов с замеренными в натуре. Труды, гидравлич. лаб. ВНИИ ВОДГЕО, № 11,1965. - С. 290-295.

53. Леви И.И. Динамика русловых потоков. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. -252 с.

54. Ледотермические вопросы в гидроэнергетике. Сборник статей под ред. Бибикова Д.Н. М.: Государственное энергетическое издательство, 1954. -264с.

55. Марусенко Я.И. Влияние ледовых образований на гидравлическое сопротивление потоков рек и каналов. Киев.: Вища школа, 1981. - 159с.

56. Наставления по изысканиям и проектированию мостовых переходов через водотоки. М, Транспорт, 1972., 280с.

57. Натальчук Ю.М. Вопросы мелиоративного регулирования русловых процессов на пойме при свободном меандрировании. Автореферат дисс. канд. тех. наук. М.: МГМИ, 1978.

58. Онищук А.В. Исследование ледоразрушающей способности изгибно -гравитационных волн, возбуждаемых в ледяном покрове движением подводного судна. Дис. к. т. н. Комсомольск-на-Амуре, 1999.

59. Павловский Н.Н. Гидравлический справочник. 2-е изд. М.-Л.: Госэнергиздат., 1937. 890 с. - Сборник номограмм.

60. Панфилов Д.В. Расчет ледяного покрова на прочность. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура, 1969, №10

61. Панфилов Д.Ф. К теории изгиба ледяного покрова. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура, 1969, №10

62. Панфилов Д.Ф. Разрушение ледяных полей под влиянием местных изменений уровня воды. Гидротехническое строительство, № 12, 1965. С. 2125.

63. Паундер Э. Физика льда. М.: Мир, 1967. - 189с.

64. Проектирование сооружений для забора поверхностных вод. Справочное пособие к СНиП. М.: Стройиздат, 1990. 256 с.

65. Пропуск льда через гидротехнические сооружения./ Я.Л.Готлиб, К.Н.Коржавин, В.А.Кореньков, И.Н.Соколов. М.:Энергоатомиздат, 1990.184 с.

66. Рогачко С.И. Развитие методов расчета волновых и ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения. Автореферат дисс доктора тех. наук. М.: МГСУ, 2003

67. Рогунович В.П. Автоматизация математического моделирования движения воды и примесей в системах водотоков. Л. Гидрометеоиздат, 1989.-264с.

68. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов). Л.: Энергия, 1997.- 309с.

69. Рупперт M.JI. Влияние ледяного покрова на скорость распространения волн попусков. Труды ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. - вып.117

70. Савельев Б.А. Гляциология. М.: Издательство МГУ, 1991. - 288с.

71. СНиП 2.06.04-82* нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Минстрой России. М.6 ГП ЦПП, 1995.-48с.

72. Труды VI Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Институт водных проблем РАН, М. 2004. 579с.

73. Фомичев Б.С. Расчет разлома ледяных полей на сосредоточенном перепаде. / Мелиорация и водное хозяйство: Экспресс информация, вып. 2. М.: ЦБНТИ, 1985. С. 6-11.

74. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Механика и физика льда. -М.: Наука, 1983. с. 12-163

75. Шарп Дж. Гидравлическое моделирование, М., Мир, 1984, 280с.

76. Шаталина И.Н. Теплообмен в процессах намораживания и таянья льда. -Л.: Энергоатомиздат, 1990. 120с.

77. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. М. Энергоатомиздат, 1984. - 640с.

78. Эббот М.В. Гидравлика открытого потока. М.: Энергоатомиздат, 1983. -215с.