CC BY
9
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.
-I-
МЕЛИОРАЦИЯ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ
СООРУЖЕНИЯ
УДК 627.132:532.543 А.К.Алибеков
ПОИСК ОПТИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ХОЛОСТОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНОГО ОРОСИТЕЛЬНОГО КАНАЛА
Работа посвящена поиску оптимальной длины холостой части магистрального оросительного канала, проходящего в выемке и неукрепленном земляном русле с уклоном, равным уклону местности. В качестве критерия оптимальности принят минимальный объем выемки грунта по трассе канала, а для поиска оптимальной протяженности предложена программа для ПЭВМ.
Ключевые слова: мелиоративная система, магистральный канал, выемка грунта, оптимизация параметров канала.
A.K.Alibekov
SEARCH OF OPTIMUM LENGTH OF THE SINGLE PART OF THE MAIN IRRIGATION CANAL
Work is devoted search of optimum length of a single part of the main irrigation canal which is passing in dredging and not strengthened earthen channel with a bias, equal to a district bias. As criterion of an optimality the minimum volume of dredging on a channel line is accepted, and for search of optimum extent the program for computer is offered.
Keywords: meliorative system, the main channel, dredging, optimization of parameters of the channel.
Введение. В южных регионах нашей страны главным условием получения гарантированного урожая является проведение оросительных мелиораций. Для этой цели необходима реконструкция существующих и строительство новых мелиоративных систем. Существенная доля в стоимости их возведения приходится на каналы, проходящие главным образом в неукрепленном земляном русле. Из -за значительной протяженности каналов даже небольшая экономия средств на единице длины канала даст существенный экономический эффект по системе в целом. Поэтому данное направление исследования представляется актуальным.
Цель настоящей работы заключается в определении оптимальной (экономичной) длины холостой части магистрального канала, проходящего в выемке и неукрепленном земляном русле с уклоном, равным уклону местности.
Анализ существующих проектных решений и изучение материалов из учебной и научной литературы показал, что вопросу оптимизации параметров каналов посвящено большое множество работ всемирно известных ученых [2, 3, 5, 6, 10 и др.], а также молодых отечественных исследователей [7, 9 и др.]. Да и сами каналы в разных странах люди начали прокладывать давно и, исходя из практики их эксплуатации, пришли к частичным оптимальным вариантам. Поэтому была произведена предварительная всесторонняя проработка существующих методик проектирования каналов с оптимальными параметрами, включая изучение вопросов фильтрации воды из каналов, размыва и заиления русла, выбора параметров и формы поперечного сечения и др.
А-
Отличительной особенностью при исследовании данного вопроса является и то, что
разные научные школы предлагают собственные методики, например, при определении неразмывающих скоростей, выборе критериев оптимизации параметров канала и другим вопросам. С другой стороны наличие большого количества публикаций по рассматриваемой теме у различных научных школ в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что проектирование каналов с оптимальными параметрами является достаточно сложной задачей, хотя на первый взгляд решение кажется простым и очевидным. Вспоминается выражение всемирно известного ученого в этой области из С-Петербурского политехнического университета М.А.Михалева: «...из канала еще никто «не вылезал».». Поясним сказанное.
Стоимость возведения каналов определяют следующие факторы: транспортируемый расход брутто, глубина воды, форма поперечного сечения, уклон местности, уклон дна канала, шероховатость русла, вид грунта ложа русла (степень фильтрации, заложение откосов, зарастаемость), проектирование канала в выемке или полунасыпи, технология производства работ, тип крепления и др. Исследовать многомерную зависимость, где учтено, например, только 8 из указанных факторов, довольно сложно. Действительно, если каждый из восьми факторов варьировать хотя бы на трех уровнях, то необходимое число вариантов при различных всевозможных сочетаниях значений факторов N = 3 = 6561. Но три уровня варьирования - это совсем мало. При четырех уровнях варьирования факторов необходимое для рассмотрения число вариантов N = 4 = 65 536. Очевидно, что проведение такого количества расчетов и их анализ не реальны как по времени, так и по физическим возможностям и на сегодняшний день при ручном счете практически ограничиваются сравнением незначительного количества вариантов. Не рассмотрев все случаи, то есть без полного охвата области изменения факторов, нельзя говорить об оптимальных значениях параметров и искомой функции [1].
Кроме того, в условиях рыночной экономики цены на материалы и работы зависят от региона строительства, сезона, близости карьера, наличия дорог, степени оснащенности современной техникой, энергией и т.д. Это означает, что одно и то же экономичное решение нельзя распространять на все регионы или на все случаи, как это делается на сегодня многими авторами. В этой связи результаты настоящей работы представлены в физических показателях, которые можно умножать на текущие местные цены, а поиск оптимального варианта рекомендуется искать путем выполнения расчетов на ПЭВМ по разработанной программе, которую можно рассматривать как дальнейшее развитие направления автоматизации проектирования мелиоративных объектов.
Таким образом, одним из путей поиска новых решений было выбрано сочетание традиционных методов поиска оптимума и новых информационных технологий, позволяющих выполнить очень большой объем вычислений за короткое время при различных сочетаниях значений определяющих факторов. А проведение исследования путем привлечения методов математического планирования эксперимента позволит, в частности, охватить многомерную область определения параметра оптимизации [1]. В этом состоит один из главных и принципиальных отличий выполненной работы по сравнению с текущим состоянием исследуемого вопроса.
Кроме выбора правильного метода исследования существенное значение имела основная идея настоящей работы. Она основывается на положении о том, что при слабом уклоне местности и дна канала из основной расчетной формулы Шези для случая равномерного движения воды при заданном расходе и постоянных значениях некоторых других факторов площадь сечения канала получается большой, а значит, объем выемки грунта на единице длины канала будет большим. При этом сама длина холостой части магистрального канала является самым наименьшим. И, наоборот, при большом уклоне дна канала площадь сечения уменьшается, что приводит к уменьшению объема выемки грунта на единице длины канала. Однако в этом случае увеличивается протяженность
100
холостой части, а значит, и объем выемки грунта (рисунок 1). На этом основании был сделан вывод о возможном существовании оптимальной длины холостой части с уклоном, лежащем в диапазоне от наименьшего значения, соответствующего незаиляющей скорости или транспортирующей способности потока, до максимально возможного значения, соответствующего условию неразмываемости неукрепленного земляного русла.
В качестве примера покажем на рисунке 1 план местности, источник забора воды в виде реки и несколько трасс холостой части магистрального канала. Обозначим точкой А конец холостой части канала, а через В1, ., В4 - ее начало (точки водозабора). Для представленной топографии местности и плана реки длины холостых участков АВ1 < АВ2 < АВ3 < АВ4, а уклоны г < г1 < г2 < г3 < г4. Найдем оптимальную с точки зрения наименьшего объема строительной выемки грунта длину холостой части и соответствующий уклон трассы канала.
Исходными данными для расчета являются: максимальный расход Q, коэффициент заложения откосов т и коэффициент шероховатости грунта ложа русла п [4, 8], длина и уклон по трассе канала, определяемые по топографии участка, форма сечения канала, его размеры и др. Однако с учетом рекомендаций ряда авторов и для удобства выполнения расчетов в примере, рассматриваемом ниже, профиль канала был принят трапецеидальным и гидравлически наивыгоднейшим, хотя гидравлическая выгодность не гарантирует условие минимальной стоимости возведения канала.
В [3, 8, 10 и др.] исходя из условий максимального значения площади живого сечения а и минимального значения смоченного периметра х получено следующее выражение для определения гидравлически наивыгодной относительной ширина канала по дну:
ß=ßo=b/h = + mz - m
(1)
где b - ширина канала по дну, кратная ширине ковша экскаватора или другого устройства, h - глубина потока, соответствующая заданному расходу.
Критерием при поиске оптимальной протяженности канала принят минимальный объем выемки грунта по Рисунок 1 - План трассе:
местности с трасами W = rn^l = (b + mh1)h1 •/ = min, (2)
каналов с различными
где h1 - строительная глубина выемки грунта, h1 = h + А, l - протяженность холостой части канала, ав - площадь поперечного сечения выемки,
А - превышение бровки канала над максимальным уровнем воды, которая в общем случае зависит от множества факторов [3]: увеличения шероховатости русла, заиления, уменьшения скорости течения при встречном ветре, подпора, осадки дамб после возведения, развевания грунта ветром, разрушения при ездке, смыва грунта при выпадении атмосферных осадков, растрескивания поверхности дамб под влиянием климатических факторов и др. Однако учесть все факторы очень трудно и, используя опыт эксплуатации уже построенных каналов, в [8] дана таблица для определения А. При разработке программы для ПЭВМ эти данные для случая каналов без облицовки, с грунтово-пленочным экраном и для сооружений при наличии аэрации или сбойности течения были аппроксимированы зависимостью:
А = 0,2 + 0,008g - 0,00004 Q2
(3)
А-
Для решения задачи в соответствии с (2) была разработана программа kholost:
REM ПРОГРАММА KHOLOST РАСЧЕТА ХОЛОСТОЙ ЧАСТИ
REM МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО КАНАЛА Q = 5: m = 1: n = .025 i = .0016: l = 2440 bt = 2 * ((1 + m A 2) A .5 - m) h = 0 23 h = h + .01 b = bt * h
w = (b + m * h) * h x = b + 2 * h * (1 + m a 2) a .5 R = w / x C = R a (1 / 6) / n Q1 = w * C * (R * i) a .5 IF Q1 < Q THEN GOTO 23 PRINT "h="; h; " b="; b dlt = .2 + .008 * Q - .00004 * Q a 2 h1 = h + dlt w1 = (b + m * h1) * h1 dw = w1 - w otw = dw / w obg = w1 * l dobg = dw * l PRINT "h="; h; " b="; b PRINT "w="; w; " dw="; dw; " otw="; otw PRINT "w1="; w1; "obg="; obg; " otobg="; dobg / obg STOP END
Выходными данными программы kholost являются: глубина воды h, ширина канала по дну b, площадь живого сечения т, площадь неполезной выемки между уровнем воды и бровкой канала Ат, доля неполезной площади сечения от всей площади сечения выемки Ат/т, площадь сечения выемки тв, объем выемки грунта по всей трассе W, доля неполезного объема выемки в отношении от величины всей выемки AW/W. При выполнении расчетов было принято, что канал проходит в выемке с продольным уклоном дна, равным уклону местности.
Большая часть исходных данных и результатов расчетов, выполненных по представленной программе kholost, приведены в таблице 1 и для большей наглядности изображены на рисунках 2 - 5.
Таблица 1 -
Исходные и расчетные данные по холостой части магистрального канала
m i l, h, т, Ат, Ат/т тв, W, AW/W
м /с м м 2 м 2 м 2 м 3 м
5 1,5 0,0002 1000 2,04 8,8 1,8 0,21 10,6 10606 0,17
5 1,5 0,0006 1370 1,66 5,8 1,5 0,26 7,32 9294 0,21
А-
Продолжение Таблицы 1
Исходные и расчетные данные по холостой части магистрального канала
т г /, т, Ат, Ат/т тв, Ж, АЖ/Ж
м /с м м 2 м 2 м 2 м 3 м
5 1,5 0,0011 1960 1,48 4,6 1,4 0,3 6,0 10960 0,23
5 1,5 0,0016 2885 1,37 4,0 1,3 0,32 5,3 12894 0,24
10 1,5 0,0002 1000 2,64 14,8 2,8 0,19 17,5 17536 0,16
10 1,5 0,0006 1370 2,14 9,7 2,3 0,23 12,0 15223 0,19
10 1,5 0,0011 1960 1,92 7,8 2,0 0,26 9,8 17958 0,21
10 1,5 0,0016 2885 1,78 6,7 1,9 0,28 8,6 21086 0,22
5 1,0 0,0002 1000 2,1 8,4 1,5 0,17 10,0 9962 0,15
5 1,0 0,0006 1370 1,7 5,6 1,2 0,22 6,8 8686 0,18
5 1,0 0,0011 1960 1,5 4,4 1,1 0,25 5,6 10205 0,20
5 1,0 0,0016 2885 1,4 3,9 1,0 0,27 4,9 12057 0,21
Выводы. Как видно из рисунков 2 и 3 для рассчитанного примера оптимальное значение длины холостой части магистрального канала /опт = 1300 м, а продольного уклона дна гопт = 0,0006. В случае, если аналогичные зависимости для других топографических условий получатся монотонно убывающими, то оптимальными следует считать максимальные значения длины / и уклона г, но не превышающие их значения, найденные при условии равенства средней скорости потока неразмывающей скорости для данного вида грунта. В случае монотонно возрастающих зависимостей оптимальными следует считать минимальные значения длины / и уклона г, но не ниже их значений, найденных при условии равенства средней скорости потока воды в канале незаиляющей скорости.
Характер изменения доли неполезной выемки грунта с ростом длины и уклона дна канала является возрастающим, причем эта тенденция не зависит от расхода и коэффициента заложения откоса (рисунки 4 и 5).
Имеющее место расхождение в числовых данных в зависимости от значений конкретных факторов (уклона дна канала, расхода, коэффициента заложения откосов и др.) указывает на отмеченную выше сложность задачи, обусловленную ее многофакторностью. В таких задачах поиск оптимальных условий рекомендуем осуществлять путем выполнения расчетов на ПЭВМ по вышеприведенной программе по множеству вариантов для конкретной реальной топографии местности (аналогично рассмотренному примеру). При этом обязательным условием остается исследование всей области определения искомой функции.
Рисунок 2 - Зависимости W = f(l, Q)
Рисунок 3 - Зависимости W = f(i, Q)
Рисунок 4 - Зависимости AW/W = f(l, Q, m) Рисунок 5 - Зависимость AW/W = f(i) Библиографический список:
1. Алибеков Н.А., Алибеков А.К. Актуальные вопросы постановки экспериментальных исследований// Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - 2010. - № 17 (II). - С.85 - 91.
2. Алтунин В.С. Мелиоративные каналы в земляных руслах. - М.: Колос, 1979. -
256 с.
3. Дементьев В.Г. Орошение. - М.: Колос, 1979. - 303 c.
4. Мелиорация и водное хозяйство. 4. Сооружения: справочник/ Под ред. П. А. Полад-заде. - М.: Агропромиздат, 1987. - 464 с.
5. Михалев М.А. Гидравлический расчет необлицованного канала большой пропускной способности. В кн.: Речная гидравлика и русловые процессы. Ч.2. - М.: МГУ, 1976. - С. 85 - 98.
6. Михалев М.А., Рыжаков И.Ю. О форме поперечного сечения канала в несвязных грунтах, обладающих свойством равной прочности. - В сб. «Труды ЛПИ». - Л.: ЛПИ, № 415, 1986. - С. 85 - 89.
7. Патрина М. Ю. Оптимизация параметров трапецеидальных оросительных каналов в земляном русле: Дис. ... канд. техн. наук. - СПб, 1999.
8. СНиП 2.08.03-85 Мелиоративные системы и сооружения/Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986. - 59 с.
9. Чирикина Ю. И. Оптимизация параметров земляных каналов: Автореферат дис. ... канд. техн. наук. - СПб.: СПбГПУ, 1996. - 16 с.
10. Чугаев Р. Р. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1982. - 672 с.
