Улучшение судоходных условий на участках расположения русловых карьеров нерудных строительных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.17, кандидат технических наук Агеев, Сергей Николаевич

• Агеев, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агеев, Сергей Николаевич

Введение.

1. Русловые карьеры и особенности гидравлического обоснования с учетом обеспечения судоходных усw ■—I ловии.

1.1. Влияние карьеров на судоходные условия рек

1.2. Особенности гидравлического обоснования при проектировании русловых карьеров

2. Экспериментальные исследования влияния карьеров

НСН на гидрологический режим судоходных рек

2.1. Цель проведения экспериментальных исследований

2.2. Лабораторные исследования

2.3. Натурные исследования

3. Теоретические исследования влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные уело -вия рек.

3.1. Построение планов течений и положения свободной поверхности воды на участке.

3.2. Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судовые условия одно-рукавных участков рек.

3.3. Методика оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия многорукавных участков рек

4. Итоги внедрения полученных рекомендаций в практику проектирования русловых карьеров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение судоходных условий на участках расположения русловых карьеров нерудных строительных материалов»

Представленная работа выполнена на кафедре Водных путей и гидравлики Новосибирской государственной академии водного транспорта в период с 1994 по 1998 годы. Тема диссертационной работы утверждена Ученым советом академии,как связанная с тематическими планами развития отраслевой науки. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях кафедры. Натурные наблюдения и практическая проверка рекомендаций осуществлялась в Обском, Иртышском и Енисейском бассейнах.

Необходимость выполнения данной работы объясняется тем, что освоение нефтегазоносных месторождений Сибири и последующее строительство автомобильных и железных дорог, а также промышленных и гражданских объектов, требует увеличения добычи нерудных строительных материалов (НСМ), заставляет разведывать и осваивать все новые и новые русловые карьеры НСМ, обеспечивая при этом требуемые судоходные и экологические условия.

К концу 80-х годов годовой объем добычи НСМ на реках о

России составлял 190 млн.м . При этом более двух третей НСМ добывается из русловых карьеров, которые оказывают существенное влияние на русловой процесс и, как следствие, на судоходные условия. Обеспечение нормального функционирования речного транспорта не возможно без осуществления комплекса путевых работ. Их проведение на участках расположения русловых карьеров НСМ имеет ряд особенностей, поскольку в результате выемки из русла НСМ изменяются гидрологические, экологические и судоходные условия.

Основы проектирования методов улучшения судоходных условий и влияние карьеров НСМ на судоходные условия нашло отражение в работах К.М.Берковича [12], Г.Л.Гладкова щ

23], К. В. Гришанина [30], В.В.Дегтярева [39], С.Лелявского

65], Н.И.Маккавеева [69], Н.А. Ржаницына [7 9], Б.Ф.

Снищенко [90], Р.С.Чалова [95], А.И.Чекренева [96] и др. Следует отметить, что работы перечисленных авторов относятся в основном к влиянию карьеров НСМ на русловые процессы. За последние годы в Сибири также накоплен и немалый опыт по улучшению судоходных условий на участках расположения русловых карьеров НСМ.

Кроме того, предъявляемые в последнее время дополнительные требования к полю скоростей течения: недопустимость превышения предельных скоростей течения по условиям размыва русла или аккумуляции наносов; борьба со свальными течениями и уменьшение кривизны линий тока, удовлетворяющих безопасности прохождения судов на участке, приводят к необходимости построения новых расчетных методик гидравлического обоснования путевых работ. Решить задачу проектирования дноуглубительных и вы-правительных работ на участках расположения карьеров НСМ при удовлетворении комплекса требований к полю скоростей и положению свободной поверхности воды можно на основе решения плановой задачи гидравлики. Достигнутые в последние годы решения плановой задачи гидравлики в работах И.А.Шеренкова [100], В.М. Вотвинкова [14], А.Ю.Жука [45] и др. позволяют создать расчетную методику построения планов течений и положения свободной поверхности воды при введении необходимых коррективов, учитывающих особенности кинематической структуры потока

В. И. Пронина [7 6] рассмотрено влияние русловых карьеров на перераспределение воды по рукавам на основе решения одномерных уравнений гидравлики. При таком подходе не удается решить напрямую одну из важных задач для оценки устойчивости судоходной трассы - определение поля скоростей течения. В то же время разработанные методы построения планов течений на основе решения плановой задачи гидравлики напрямую нельзя использовать для участков расположения русловых карьеров НСМ из-за возможности образования в них водоворотных областей с горизонтальными осями вращения, для которых условия решения предыдущих задач неприемлемы.

Целью работы является разработка методов оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия рек. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: в лабораторных и натурных условиях исследовать характерные особенности кинематической структуры потока на участках расположения карьеров НСМ; получить расчетные зависимости для оценки режима течения в русловых карьерах НСМ; разработать методику оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия однору-кавных и многорукавных участков рек; осуществить натурную проверку эффективности предлагаемых методик гидравлического обоснования русловых карьеров НСМ.

На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики расчетного обоснования путевых работ для улучшения судоходных условий на участках расположения русловых карьеров НСМ.

Заключение диссертации по теме «Водные пути сообщения и гидрография», Агеев, Сергей Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе была поставлена цель разработки методов оценки влияния русловых карьеров нерудных строительных материалов на гидрологический режим и судоходные условия рек.

В состав исследований вошли следующие вопросы:

1.Исследование в лабораторных и натурных условиях характерных особенностей кинематической структуры потока на участках расположения карьеров НСМ.

2.Получение расчетных зависимостей для оценки режима течения в русловых карьерах НСМ.

3.Теоретические исследования по совершенствованию оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия однорукавных и многорукавных участков рек.

4.Осуществление натурной проверки эффективности предлагаемых методик гидравлического обоснования русловых карьеров НСМ с учетом обеспечения безопасных условий судоходства.

Выполненные в данной диссертационной работе исследования позволили решить следующие важные, на наш взгляд, задачи, имеющие научную новизну:

1. На основе анализа и обобщения полученных данных по производству путевых работ на участках расположения русловых карьеров НСМ необходимо учитывать их влияние на перераспределение скоростей течения, расходов воды и изменение положения свободной поверхности воды.

2.Выполненные нами лабораторные исследования в гидравлических лотках прямоугольного сечения и жесткой модели двухрукавного участка реки Иртыш позволили определить, что в русловых карьерах НСМ наблюдается два режима течения: поверхностный и режим растекания. При режиме растекания направление скоростей течения по глубине не изменяется, а при поверхностном режиме на верховом откосе карьера у дна образуется вихревая зона с горизонтальной осью вращения, расположенной перпендикулярно потоку.

3. В результате обработки экспериментальных данных впервые получен расчетный график для определения режима течения в зависимости от числа Фруда и геометрических размеров карьера, который аппроксимирован нами эмпирической зависимостью.

4. Установлено, что при поверхностном режиме течения существенно изменяется коэффициент неравномерности распределения скоростей течения по глубине в зависимости от числа Фруда и коэффициента заложения напорного откоса карьера.

5. Обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирическую зависимость для коэффициента неравномерности распределения течения по глубине в русловом карьере при поверхностном режиме течения.

6. Изучение влияния плановой компановки и габаритных размеров русловых карьеров на перераспределение расходов воды и изменение положения свободной поверхности воды позволило установить, что уменьшить понижение уровней воды и обеспечить перераспределение расходов воды на многорукавном участке в пользу судоходного рукава можно за счет расчленения карьера на несколько обособленных блоков, расположенных по длине в шахматном порядке.

7. Анализ методов расчета поля скоростей и положения свободной поверхности воды позволил рекомендовать в качестве базовой математическую модель плановой задачи гидравлики, разработанную И.А.Шеренковым и усовершенствованную В.М.Ботвинковым.

8.Полученные нами критерии образования поверхностного режима и режима растекания в русловом карьере и зависимости для коэффициента неравномерности распределения скоростей течения по глубине позволили корректно использовать модель И.А.Шеренкова

В.М.Ботвинкова для расчета поля скоростей течения и положения свободной поверхности воды.

9. Разработаны методики -оценки влияния русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия для однорукавных и многорукавных участков рек.

Все рекомендации, полученные в результате выполнения данной работы, прошли практическую проверку на реках сибирских бассейнов. При этом выполнены проектные проработки по участкам рек Оби и Енисея.

Актуальность выполненных исследований подтверждается объемами плановой добычи нерудных строительных материалов из русловых карьеров для нефтегазоносных объектов добычи и промышленных центров Сибири.

Основное содержание работы изложено в б публикациях, приведенных в списке литературы, неоднократно докладывалось и получило одобрение на различного рода конференциях и совещаниях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агеев, Сергей Николаевич, 1998 год

1. Агеев С.Н. Влияние русловых карьеров на судоходные условия рек. // Одиннадцатое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов.Научные труды. М.:изд-во МГУ,1996.-с.64-68.

2. Агеев С.Н., Ботвинков В.М. Совершенствование методов проектирования русловых карьеров нерудных строительных материалов./ 12-ое Межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных русловых и устьевых процессов. Пермь: 1997. с.З.

3. Агеев С.Н., Ботвинков В.М. Методика оценки влиянияя русловых карьеров на гидрологический режим и судоходные условия однорукавных участков рек./Сибирский научный вестник. Известия ННЦ РАЕН. Вып.1, Новосибирск: 1997. -с.119-123.

4. Агеев С.Н. К гидравлическому расчету русловых карьеров НСМ на :многорукавных участках рек. //Сибирский науч.вестник. Вып.2. Новосибирск: 1998. - с. 158-165.

5. Алексеевский Н.И., Белый Б.В., Беркович К.М. и др. Русловые деформации верхнего Чулыма в условиях разработки русловых карьеров.//Эрозия почв и русловые процессы, вып.10.-М.:изд-во МГУ,1995.- с.143-157.

6. Аполлов В.А. Учение о реках. М. :Изд-во МГУ, 1963.423 с.

7. Батаева С .А., Ботвинков В.М., Герус Е.И., Гордеев О.И., Губкин А.С., Жук А.Ю. Возможности увеличения судоходной глубины на Оби от истока до г.Барнаула. В кн.: Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов. М.: изд-во МГУ, 1987.- с.364-365.

8. Барышников Н.Б., Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы. J1.: Гидрометеоиздат, 1988.-455 с.

9. Беркович К.М., Чалов Р.С. О развитии русел рек, разветвленных на рукава (на примере среднего и верхнего течения реки Оби). Вестник МГУ. География,1973,N4, с.55-60.

10. Беркович К.М. Развитие речных русел и рациональное соотношение антропогенных нагрузок. //Тр.АВН. Вып5. Гидрология и русловые процессы. М.: 1997. - с. 216-225.

11. Боровков B.C. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. JI.: Гидрометеоиздат, 1989.-286с.

12. Ботвинков В.М. Проектирование дноуглубительных и выправительных работ на малых реках. Новосибирск. :изд. НГАВТ, 1995.- 86с.

13. Ботвинков В.М., Батаева С. А. К оценке повышения устойчивости отвалов грунта при рефулировании грунта в воду.// Гидравлика русловых потоков.: Сб. научн. тр. / НИИВТ.- Новосибирск, 1991.-е. 4-17.

14. Ботвинков В.М., Гордеев О.И., Дегтярев В.В., Чернышов Ф.М. Проектирование методов улучшения судоходных условийв узлах слияния рек. Новосибирск.: изд-во НИИВТ, 1981.88 с.

15. Ботвинков И.М., Зарубин В.И. К построению планов течений потока, обтекающего полузапруды. // Улучшение судоходных условий на сибирских реках.: Сб. научн. тр. / НИИВТ.- Новосибирск, 1988. с. 122-124.

16. Великанов М.А. Русловой процесс (основы теории) . М. : Физматгиз, 1958.- 395с.

17. Вознесенский Н.А. Донные струенаправляющие устройства на оросительных каналах. М. Колос.: 1967.-'120с.

18. Временные указания по оценке повышения мутности при землечерпательных работах, проводимых для обеспечения транзитного судоходства на реках и учету ее влияния на качествоводы и экологию гидробионтов. М. : Главводпуть, 198 6.- 59с.

19. Гиляров Н.П. Моделирование речных потоков. Л.:Гидрометеоиздат, 1973.- 200с.

20. Гладков Г.Л. Влияние добычи НСМ в районе г. Кирова на гидрологический режим р. Вятки. Воронеж.: изд.-во Воронежского госагроуниверситета, 1993.- с. 22-23.

21. Гладков Г.J1. Обеспечение устойчивости русел судоходных рек при дноуглублении и разработке русловых карьеров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Л.: 1996.- 36с.

22. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Наука, М.: 1972.-1108с.

23. Грачев Е.Н. Исследование гидравлических характеристик во вторичных течениях. Сб. научн. тр. НИИВТ. Вопросы гидравлического обоснования путевых работ на реках. Новосибирск, 1989.-с.46-50.

24. Грачев Е.Н. Речные затоны. М. : Транспорт, 1990.-86с.

25. Гришанин К. В. Гидравлика. Л.:Л0 Речной транспорт , 1955.-304с.

26. Гришанин К.В. Теория руслового процесса. М. : Гидрометеоиздат, 1972.-216с.

27. Гришанин К.В. Динамика донного течения в стационарном водовороте //Тр.ЛИВТ, вып.61, изд. ЛИВТ, 1964. с.37-41.

28. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат,1979.-312с.

29. Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов. Л.: Гидрометеоиздат,1974.-144с.

30. Гришанин К.В., Дегтярев В.В., Селезнев В.М. Водные пути. М.: Транспорт,1986.-400с.

31. Данелия Н.Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными наносами. М.: Колос,1964.-336с.

32. Дегтярев В. В. Выправительные сооружения из грунта. М.: Транспорт, 1970.-е.192.

33. Дегтярев В.В. Выправление рек и строительные работы. М.: Транспорт, 1978.-254с.

34. Дегтярев В.В. Проектирование и эксплуатациявыправительных сооружений на внутренних водных путях. М.: Транспорт, 1981.-224 с.

35. Дегтярев В.В. Улучшение судоходных условий сибирских рек. М.: Транспорт, 1987.-176 с.

36. Дегтярев В.В. Охрана окружающей среды. М. : Транспорт, 1989.-208с.

37. Дегтярев В.В., Селезнев В.М., Фролов Р. Д. Водные пути. М.: Транспорт, 1980.-328с.

38. Долгашев В. А. Расчет и построение плана течений.

39. Тр. НИИВТ, вып. XX, М.: Транспорт, 1965,. с.60-64.

40. Железняков Г. В. Теория гидрометрии. JI.-: Гидро-метеоиздат, 1968.- 344с.

41. Жигалин Н.П. Методика расчета выправления перекатных участков продольными оградительными дамбами для условий Енисея. // Вопросы гидравлического обоснования путевых работ на реках. Сб. • научн. тр. / НИИВТ, Новосибирск.: 1989.-с.60-66.

42. Жук А.Ю. Расчет распределения расхода воды по рукавам на .двухузловых разветвленных участках рек. / Тр.НИИВТ, вып.157, Новосибирск.:1982.-с. 17-23.

43. Зачесов В.П. Транспортное использование малых рек Сибири. М.: Транспорт, 1985.- 94с.

44. Знаменская Н.С. Донные наносы и русловые процессы. JI. : Гидрометеоиздат, 1976.- 190с.

45. Иванов В.В. Метод гидравлического расчета элементов водного режима в дельтах рек.// Тр. Аркт. и Антаркт. ин.-та, T.283.-JI.: Гидрометеоиздат, 1968 .-с.

46. Идельчик Е.Е. Гидравлические сопротивления. М. : Госэнергоиздат, 1954.

47. Ильин Н.И. Русловая добыча и перевозка нерудных строительных материалов. М.: Транспорт, 1987.-232с.

48. Инструкция по землечерпательным работам. М. : Транспорт, 1989.- 65с.

49. Инструкция по нормированию габаритов судов и толкаемых составов. Горький.: изд.-во ГИВТ, 1980.- 38с.

50. Инструкция по содержанию навигационного оборудования внутренних водных путей. М.: Транспорт, 1988.- 103с.

51. Кабанов А.В; Перекрытие больших проток на примере рек Иртышского БУП.- Сб. научн.тр.НИИВТ. Улучшение судоходных условий и технологии путевых работ на малых реках. Новосибирск.: 1987.-е. 40-52.

52. Карасев И.Ф. Русловые процессы переработке стока. JI. : Гидрометеоиздат, 1992.-208с.

53. Караушев А.В. Речная гидравлика. JI. : Гидрометеоиздат, 1969. -272с

54. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов. J1.: Гидрометеоиздат, 1971.- 272 с.

55. Картвелишвили Н.А. Потоки в ■ не деформируемых руслах. JI.: Гидрометеоиздат, 1973.-279с.

56. Кондратьев Н.Е. Русловой процесс. JI. : Гидрометеоиздат, 1959. 371с.

57. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко В.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. JI. : Гидрометеоиздат, 1982. -272с.

58. Кучмент J1. С. Математическое моделирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.- 192с.

59. Леви И. И. Движение речных потоков в нижних бьефах гидротехнических- сооружений. М.-Л.: Гидрометеоиздат, 1965.-256с.

60. Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. Л.: Энергия, 1967.- 235с.

61. Леви И. И. Развитие плановой задачи. Труды координационного совещания по гидротехнике, вып.15, 1964.- с.139-152.

62. Лелявский С. Введение в речную гидравлику. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.- 230с.

63. Маккавеев Н.И. Русловой режим рек и трассирование прорезей. М.: изд.-во МГУ, 1949.

64. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: изд.-во МГУ, 1955.- 348с.

65. Маккавеев Н.И. Гидравлическая типизация эрозионного процесса. В сб.:" Эрозия почвы и русловые процессы ", вып.З, изд.-во МГУ, 1973.

66. Маккавеев Н.И., Чалов P.G. Русловые процессы. М. : изд.-во МГУ, 1986.- 264с.

67. Методика расчета понижения уровней воды при добычи нерудных строительных материалов. М. : Транспорт, 1984.-20с.

68. Месерлянс Г.Г. Гидравлика потока и морфология русла на участках размещения карьеров. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Л.: ГГИ, 1988.- 24с.

69. Михалев М.А. Гидравлический расчет потоков с водоворотом. М. : Энергия, 1971.- 184с.

70. Попов И.В. Деформация речных русел и гидротехническое строительство. Л.: Гидрометеоиздат, 1969.-328с.

71. Проектирование путевых работ с использованием ЭВМ. Учебное пособие. Новосибирск.: 1990.- 122с.

72. Пронин В.И. Расчет распределения расходов воды по рукавам на многорукавных участках.// Сб. научн. тр. Развитие водных путей Сибири и Саха Якутии. Новосибирск.: изд. НГАВТ, 1994.-с.50-63.

73. Пронин В.И. Стабилизация судоходных трасс на реке Оби для удешевления содержания пути и предупреждениянегативных воздействий на природу. / Аитореферат дисс. На соиск. уч. степ. к.т.н. Новосибирск: 1996.-20с.

74. Рауз X. Механика жидкости. М. : Стройиздат, 1967.-'360с.

75. Рекомендации по прогнозу деформаций речных русел на участках размещения карьеров в нижних бьефах гидроузлов. JI.: Гидрометоиздат, 1988.- 128с.

76. Ржаницин Н.А. Руслсформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.- 263с.

77. Розовский И.Л. Движение воды на повороте открытого русла. Киев.: изд.-во АН УССР, 1957.- 188с.

78. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации выправительных сооружений из грунта. М. : Транспорт, 1971.-172с.

79. Руководство по проектированию коренного улучшения судоходных условий на затруднительных участках свободных рек. Л.: Транспорт, 1974.-309с.

80. Руководство по проектированию карьеров. Мероприятия по предотвращению понижения уровней воды. Л.: Транспорт, 1987.- 51с.

81. Русловые процессы./ Труды ГГИ, вып.116, Л.: Гидрометеоиздат, 1964.

82. Русловые процессы и путевые работы на свободных реках. / Труды ЦНИИЭВТ, вып.8, М.: Речной транспорт, 1956.

83. Седых А.И., Чернышев Ф.М., Кабанов А.В. Путевые работы на судоходных реках. М.: Транспорт, 1978.- 328с.

84. Селезнев В.М., Фильчаков В.В. Решение системы уравнений планового движения речного потока./ Труды ЛИВТ, вып.162, 1978.-с.59- -64.

85. Серебряков А. В. Русловые процессы на судоходных реках с зарегулированным стоком. М. : Транспорт, 1970.-126с.

86. Серебряков А. В. Морфологические аспекты по добычи строительных материалов из русел рек.// Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различныхфприродных условиях. М.: изд.-во МГУ, 1981.-е. 348.

87. Снищенко Б.Ф. Исследование процесса заносимости судоходных прорезей на реках. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. JI.: ГГИ, 1964.- 18с.

88. Снищенко Б.Ф., Месерлянс Г.Г. Особенности гидравлики потока в речном карьере.// Труды ГГИ, вып. 337 .1990 . с.26-56.

89. Соколов Ю.П. Уровенный режим рек при- карьерных разработках русла.// Труды ЛИВТа, вып.176. 1983.- с.101-108.

90. Типовая технологическая схема добычи песка, гравия и песчано-гравийной смеси в руслах судоходных рек и других судоходных водоемах. М.: Транспорт, 1980.-70с.

91. Фролов Р.Д. О влиянии руслового карьера на режим потока.//Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях. М. : изд.-во1. МГУ, 1981.-с.348-349.

92. Чалов Р. С. Географические исследования русловых процессов. М.: изд.-во МГУ, 1979.- 232с.

93. Чекренев А.И., Гришанин К.В. Водные пути. Л.: Транспорт, 1975.- 472с.

94. Чернышов Ф.М. Повышение эффективности путевых работ на многорукавных участках судоходных рек. Новосибирск.:1973.- 328с.

95. Чоу В. Т. Гидравлика открытых каналов. М.:изд.-во литературы по строительству, 1969.- 464с.

96. Шамов Г.И. Речные наносы. Л.: Гидрометеоиздат, 1954.-346с.

97. Шеренков И. А. Прикладные плановые задачи

98. Barnett N.S., Photarqfod R.M. Dependence in the two stream problem. J. Hydrol. 1973, vol. 19, N2, p.171-184.

99. Brooks N.H. Mechanics of streams with moveble beds of fure sands. Trans. ASCE, 123, 1958, p. 526-549.