РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА, СТЕСНЕННОГО КОМБИНИРОВАННОЙ ДАМБОЙ СО СКВОЗНОЙ ЧАСТЬЮ ИЗ ТЕТРАЭДРОВ

М.Р.Бакиев А.Б. Халимбетов К.Якубов

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА, СТЕСНЕННОГО КОМБИНИРОВАННОЙ ДАМБОЙ СО СКВОЗНОЙ

ЧАСТЬЮ ИЗ ТЕТРАЭДРОВ

М.Р.Бакиев, А.Б. Халимбетов, К.Якубов

НИУ - «Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского

хозяйства»

АННОТАЦИЯ

В статье на основе экспериментальных исследований, установлена физическая картина обтекания комбинированной дамбы, сквозная часть которой выполнена из тетраэдров а также теоретическим путём разработана методика расчёта поле скоростей в области растекания.Задача реализована для «спокойного» режима с учетом наличие двух участков растекания с разными уклонами водной поверхности, горизонтальный составлящий веса жидкости, неравномерное распределения скоростей в начальном сечении, повышенную шероховатость и когда створы планового и вертикального сжатия не совпадают.

Ключевые слова: комбинированная дамба, тетраэдр, «спокойный», и «критический» режим, универсал, поле скоростей, степень стеснения, число Фруда.

ВВЕДЕНИЯ

Размывы берегов как одно из разновидностей водной эрозии ежегодно приносять огромный ущерб и борьба с ними во всех речных системах является актуальной задачей [1,2]. Поэтому не удивительно, что проектированию и разработке методов их расчетного обоснования отводится большое места в научных исследованиях [3,4,5] многие из которых выполнены для условий равнинных рек. Многие авторы основное внимания обратили к определению глубины местного размыва у глухих дамб.

Между тем предгорные участки рек имеют свои особенности заключающихся как в морфологии, так и в гидравлики потоков. [6]. Русла рек сложены из гальки, гравия и песка, а поток обильно насышен наносами. Сам поток блуждает в собственных отложениях с широко развитой поймой, берега в основном размываемое. Так характеризуется реки Зарафшан, Чирчик,

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

Кашкадарья, Ахангаран и др. уклоны русла изменяются в пределах i = 0,001 ^ 0,004 ,а кинетичность потока Fr = 0,15 ^ 0,5. Для условий равнинных рек показана эффективность работы комбинированных дамб состоящих из глухих и сквозных частей . Сквозная часть выполнена из свай, забитых в дно русла. Они наиболее капитальные, их недостаток высокая стоимость. [4,5,6]. Предложена комбинированная дамба состоящей из глухой части из местного грунта и сквозной части из железобетонных тетраэдров, уложенных в головной части дамбы.

МЕТОД

Проведены экспериментальные исследования в лотке с переменном уклоном, вскрыта физическая картина потока, стесненного комбинированной дамбой со сквозной частью из тетраэдров для условий, когда относительная длина сквозной части >0,5. Устанавлен наличие двух режимов,

«спокойный» когда nd < 0,3, Fr < 0,15 и «критический» когда n > 0,3 , Fr > 0,15 Получены теоретические формулы для расчёта поле скоростей для «спокойного» режима.

Методика экспериментальных исследований подробно изложены в наших предыдущих работах [7] поэтому приводим основные характеристики потока и русло: размеры лотка 40х 75х800сж. Коэффициент застройки сквозной часты P = 0,01 ^ 0,4P = W/W (площадь застройки сквозной части, общая площадь) угол установки дамбы ad= 600 ^ 900 уклон дна i = 0,0001 до i = 0,004 относительная длина сквозной части 0,2-0,6.

Моделирования велась по Фруду. Во всех опытах поддерживался турбулентный режим. Соблюдались условия плановой задачи B/h > 6. Расходы воды замерялись треугольным водосливом Томпсона. Свободная поверхность фиксировались с помощью мерной иглы с нивелировкой. Скорости воды измерялись микровертушкой системы САНИИРИ с электронным датчиком ЦИСНВ-5. Теоретических исследованиях использованы основные положения теории турбулентных струй, распространяющихся в ограниченном пространстве, схема деления потока на гидравлические однородные зоны: слабовозмушенного ядра, спутного потока, интенсивного турбулентного перемешивания и обратных токов.

При обтекании комбинированной дамбы сквозной частью из тетраэдров сохраняется струйный характер. Обтекания происходить с образованием

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

участка подпора между сечениями А-А и 0-0, планового сжатия между створами 0-0 и PS, вертикального сжатия между створами PS-VS, участка растекания между створами PS и К-К и восстановления между створами К-К и Б-Б(Рис.2).

Наличие продольного уклона id < ikr характерных для предгорных участков рек местоположения створов вертикального и планового сжатия не совпадают. Вертикальное сжатия продолжается и за створом планового сжатия. За створом вертикального сжатия происходить возрастание уровня воды до конца водоворотной зоны и продолжается этот подъем и в пределах участка восстановления. За сквозной частью происходить спад уровней и их восстановления в областях сжатия. В целом поперечный перепад сохраняется до конца этих областей.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Поток можно рассматривать состоящим из слабовозмущенного ядра, спутного потока, зон интенсивного турбулентного перемешивания и обратных токов. Рассматриваемом случае, когда > 0,5 формируется две зоны

интенсивного турбулентного перемешивания, первая между слабовозмушенным ядром и спутным потоком, вторая между спутным потоком и водоворотной зоной. Установлено, что распределение скоростей в зонах интенсивного турбулентного перемешивания подчиняются теоретической зависимости Шлихтинга-Абрамовича при наличии начального участка струи (рис.3).

иу"и = (1 -Л15)2 (1)

Uy -

Здесь иу1Х, и, и - скорости в ядре или в спутном потоке, обратных токах и в зоне интенсивного турбулентного перемешивания

. _У5 - У .

6 ; U yix U yx ; U i U у 2 х ; ^ ;

В первой зоне от У5 до Уб; Uyix = Uyx; ui = иу 2 х; л= 5

¿ = (C5 + C ) x = (0,08 + 0,04) x = 0,12x (рис.4)

У - У

Во второй зоне от У до У2; иуа = Uy2х; U = Un = 0; л = 2

¿2

b = (C + C )x = (0,1 + 0,14)x = 0,24 x (рис.4)

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

Для определения скорости потока в створе стеснения U0 запишем уравнения сохранения расхода для сечений 0 - 0 и створа в верхнем бьефе, где сохраняется бытовое состояние потока

V• he •В = U • hs • is • sin ad + Uo • ho • bo (2)

Разделим на ve heb0 В i s •sin ad + USl. hi

b0 Ve he b0 Ve he

Экспериментально установлено, что h0 = he

Тогда Ul = В - Us • hs • (3)

Ve bo bo

В 1 1 1

где — = ^- = -

bo \ В - (i g + £ s) • sin ad 1 - (ng + ns ) В В

Подставляя в(3) запишем

Uo = —Т-1 - Us • hs •ss (4)

V 1 -lng + ns )

где ve ,U0 скорости в бытовом состоянии, в нестесненной части потока в створе стеснения 0 - 0 ,за сквозной частью. h - глубина потока

Ss = 1 s ■sin ajbo;

i g • sin ad „ ng = g--стеснения потока глухой частью дамбы:

i • sin а ^ г

n = —-- - стеснения потока сквозной частью дамбы:

s В

Необходимо установить характер изменения скорости спутного потока V и глубины потока hsx в пределах длины области сжатия и скорости в зоне

слабовозмущенного ядра UJX

Средние скорости спутного потока определены из уравнении сохранения

импульсов записанного для части потока проходящего через сквозную часть

тт2 7 „ 2 , г. g • b • К2 g • h2 • i • sin ad ai • Us • hs ■ is ■ sin ad-ax ■ v2 • hx ■ b = 6 ^ x ~ s ^-d- (5)

Откуда после некоторых преобразованный получено выражения для определения средних скоростей по длине спутного потока области сжатия

v2 = g •1 s •sin aa a2 - b • hl (6)

2•a•h • b

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org

DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

b = Í, ■ sin a + 0,08 х.

где a = h ■ V2 a ■ Frs +1 - размерность м2

Fr =

U

g ■ hs

-число Фруда за сквозной частью в створе стеснения.

Корректив количества движения по опытам ах=ах=а = 1,2 -1,25

Изменение глубины потока за сквозной частью определены из дифференциального уравнения движения

dh _ d dx dx

v 2g у

+ь

(7)

Принимая на коротком участке ^ = 0 ,с учетом выражения для средней

скорости получено выражения по которой определяется изменение глубины воды за сквозной частью в области сжатия.

(2 ■a- 0,5)

h2

a

V2

v h у

-1

i hx cx

- Ю- =-;-

h / ■ sin a„

(8)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

По этой зависимости определяется изменение глубины воды за сквозной частью в области сжатия.По опытным данным c=0,08.

Закономерности изменения скоростей в слабовозмушенном ядре в области планового сжатия находим из интегрального соотношения характеризующего закон сохранения импульса в потоке, записанного для створов 0-0 и Х-Х

U0 ■ bo ■ ho + US ■ £ s ■ sin a, • hs = Ul ■ b0 ■ hyx + V2 • hx ■ £ s ■ sin a, +

g ■ bo

+ (ho2 + hi)

g ■ ld sin a

2

d-h+hi)

(9)

Разделим на и2 • в • k0 и после некоторых преобразований

U,,

U

(1 - nd ) + U2 ■ ns ■ hs - V2 ■ к ■ ns + ^ (l - hl (h2 - hi )

2Frn

2 Frn

где n =

Í, ■ sin a

d .

hyx (1 - nd )

Í, ■ si ad — U,

(10)

в

— V U2

U, = ; V = V; Frn = U 0

U

Un

g ■ h0

h = t

F-=ht ■ h0

ns =

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

Г =h^ •

у h0;

Как видно из уравнения (10), главное отличие от ранее полученных решений заключается в учёте различный характер изменения уравнений воды в продольном и поперечном направлениях.

В зоне слабовозмущенного ядра в продольном направлении глубины изменяются

hx = К +Z, - JX (11)

где J = Z/+ lvs); z = 0,5 z - подпор, создаваемый дамбой, а в

продольном направлении за сквозными частями характер изменения определяется по вышеполученной замисимости (8). В поперечном направлении происходит от й до hx. В створе вертикального сжатия VS происходит

выравнивание глубин здесь h^ = \ « \s. Длина верховой водоворотной зоны te и области сжатия tvs определяются по рекомендациям [7].

Полученные зависимости позволяют установить характер изменения средних скоростей за сквозной частью V лубины потока h, а также скоростей в зоне слабовозмущенного ядра U^ для области вертикального сжатия и скорость спутного потока Uy2x. В нашем распоряжении имеется интегральное

соотношение, характеризующее закон сохранения импульсов и сохранения расхода, воспользуемся ими для нахождения указанных скоростей.

Составим для створов 0-0 и Х-Х уравнение сохранения расхода для всего потока в области вертикального сжатия

»Y

U0 • b0 • h0 + Us • hs • ts • sin ^ = Uyx • byx • hyx + 0,5(hyx • hs)f 6Udy + Uy2x • by2x • hy2x + hx Vüdy (12)

Y 5 2

Принимая распределение скоростей в обоих зонах интенсивного турбулентного перемешивания по Шлихтингу-Абрамовичу (1) и выполняя интегрирование после некоторых преобразований, получим

U.

ту 2 х =

у2х _ и0(1 - n) + Us • hs • ns - bух • hух - 0,275 • b\ • (hух - hs)

(13)

Uyx 0,225 • bi • (hух + hs) + hу2х(bу2х + 0,55 • b2)

ГДе U0 = U0¡Uyx; Us = UslUyX ; hs = hslh; h ух = hУ 2 х = hy 2х/К;

bух = bух /К b1 = bllb0; bу2х = Ьу2х/К; b2 = b2/b0;

n = í d • sin ad / В; ns = í s • sin ad / B; h0 = he

Для сокрашения записи при дальнейших преобразованиях условно

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

обозначим

my 2 x =

Uу 2 x = C0 - Mx

U F

yx

(14)

где С0 = Uо ■ (1 - n) + Us ■ hs ■ ns

M = bух ■ hух + 0,275 ■ bi ■ (hух + hs)

F = 0,225 ■ bi ■ (hух + hs) + hу2х ■ (bу2х + 0,55 ■ b2)

Составим интегральное соотношение, характеризующее закон сохранения импульса в потоке для сечений 0-0 и Х-Х в области сжатия для всего потока

U02 ■ b ■ h + U2 ■ hs ■ £s ■ sin = U; ■ b^ ■ hх + 0,5(hух + hs) ■ [6 U2dy + U2y2х ■ by2x ■ hy2x +

+

к f;u 2dy

gh0 и , sk

gh

+ . bo . ¿ d. sin « ■ (byx + b1)• (5 - byX - b)

(15)

Выполняя интегрирование с учётом распределения скоростей в зонах интенсивного турбулентного перемешивания (1) получим:

U2 ■ b ■ h + U2 ■ hs ■ £s ■ Sin« = U2 ■ byx ■ hx + 0,5■ (hyx + hs)■ U2 ■ b ■ (0,416 + 0,268^ + 0,316<х) +

+ U2 ■ ■ + h^ ■ 0,416■ U2 ■ b +

y 2x y 2x y 2x y 2x

y 2 x 2

sK ■ b + gh2 ■ ^ ■ sin

2

+

^ (byx + bi) - ^ ■ (5 - byX - bi)

2

(16)

Разделим на U2Bh0 и после преобразований имеем

f Л2

U А

U V ^ У

(1 - n) +

2

U

U V ^ У

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

■ ns ■ hs = byx ■ h^ + 0,5(hyx + hs )•

U

2

0,416 + 0,268—— + 0,316 y2x

U

/ Л 2

U Л _yx_

U

V yx У

■ by2x ■ hy2x + 0,416

U

y 2 x

+ -

U

v yx У

к • n

7 7 (1 - n)

■ b 2 ■ h y 2 x + —-— +

h y

2Fr • h 2Fr

yx yx yx

2Fryx ■ hyx

(b я + b1)

(17)

hy 2 x

2h yx • Fr„

■(1 - byx - bx)

yx

U

2

yx y

+

U 2

U„

где Fr^ = ; «у 2 , =

g • Л ух t/.

Введем обозначения

yx

= 0,5 ■ b1 ■ (h yx + hs)

(1 - n) +

* 2 =

Г Л2

U^

v U yx y

2

Us

V U yx У

n ■ hs

тогда

2

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

tf = bvx -hw + 0,416• 5 + 0,268-

U

у 2 х

U

• 5 + 0,316

2

fU у 2 ^

V U х j

• Si +

2

rUnx.

V Uух j

b у 2 - h у 2 +

+ 0,416

где

Т = ■

U у 2 х

U

V ух j

1

2Fr • h

ух

b 2 • h у 2 х + Т

(1 -n) + n- h^(bух + bx) - h22х(1 - bух - bx)

h

ух

^ = bуХ • hух + 0,416 • S, + 0,2685,

U

у 2 х

U

^ = bух • hух + 0,416 • S, + 0,2685

U

у 2 х

Uух

+

U

у 2 х

V U ух

• ¡0,316^ + bу2х • hу2х + 0,416 • b2 • hу2х ]+ T

U

у 2 х

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

U

V ух

[0,

•10,316^ + bу2х • hу2х + 0,416

■b 2 • h у 2 х ]

+ T

0 -

= bух • hух + 0,416 • S1 + T - + 0,268 • S1 • ту2х + m]2х ¡0,316 • S1 + bу2х • hу2х + 0,416 • b2 • hу2х ]

где

Приходим к квадратному уравнению

A1 ■ К2X + A2 ■ 2, + А3 = 0

Д = 0,316^ + b у2х • hу2х + 0416 • b 2 • hу2х

(18)

4 = 0,268 • ^

А = Ьух • кух + 0416 • ^ + Т - ^

Корни уравнения положительны, один больше единицы, а другой меньше. Корень уравнения больше единицы, отбрасывается поскольку противоречит физике явление это означало бы иу1х > и^.. Поэтому принимается

корень ту2х < 1

Параметры потока в области растекания рассчитывается по рекомендациям [7]. На основе проведенных исследований разработана метод расчета комбинированной дамбой со сквозной частью из тетраэдров для случая, когда отношения длины сквозной части к общей длине больше 0,5.

Задача реализована для "спокойного" режима с использованием интегрального соотношения характеризуюшего закон сохранения импульса в потоке, уравнение сохранения расхода и дифференциального уравнения неравномерного движения записанного для спутного потока за сквозной частью комбинированной дамбы. Учтено наличие спутного потока, двух зон интенсивного турбулентного перемешивания, разный характер уровненного

2

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

режима основного и спутных потоков.

Непосредственные расчеты и сравнение их с данными экспериментальных исследованный (рис.2) показали приемлемость полученных теоретических решений.

ВЫВОДЫ

1. Физическая картина обтекания водным потоком комбинированной дамбы со сквозной частью из тетраэдров, когда относительная длина сквозной части > 0,5 характеризуется наличием спутного потока, двух зон интенсивного турбулентного перемешивания отличием уровненного режима в основном и спутном потоке.

2. Величина скорости потока в нестесненной части в створе стеснения завесить от скорости за сквозной частью, степени стеснения глухими и сквозными частями и глубины потоков за сквозной частью в бытовом состоянии.

3. Установлен струйный характер распределение скоростей в зонах интенсивного турбулентного перемешивания, которые подчиняются теоретической зависимости Шлихтинга-Абрамовича.

4. Теоретическим путем получены зависимости для определения скоростей в слабовозмущенном ядре, спутном потоке, средные скорости и характер изменения глубин за сквозной частью. С их помощью рассчитывается поле скоростей, сравнивая которых с неразмываюшими скоростями можно устанавливать границы размыва. Зная плановие размеры водоворотных зон назначаются расстояния между сооружениями в системе.

5. Сравнения расчетных и экспериментальных данных показывает их приемлемость, максимальное отклонения не превышает 8%-10%.

REFERENCES

1. Постановление № 1 заседания Правительственной комиссии по обеспечению безопасного пропуска паводковых вод и селей, снижению опасности схода лавин и оползней. № 01-25/14-49, 22.12.2022г.

2. Истомина М.Н. Комплексная оценка крупных наводнений в мире и их негативных последствий Дисс. к.г.н. Москва 2005

3. Бакиев М.Р. Совершенствование конструкций, методов расчетного обоснования и проектирование регуляционных сооружений,

Central Asian Research Journal For Interdisciplinary Studies (CARJIS)

www.carjis.org DOI: 10.24412/2181-2454-2022-10-441-450

Автор.докт.диссерт.,М., 1992, 57 с.

4. Bakiev M.R. River bed regulation by cross combined dikes. XXIV JAHR congress Madrid a study of streams and water sheds of high hydraulic irregularity, 9-13 september, 1991, MADRID/ESPANA.

5. Кадиров О. Совершенствование конструкций и разработка метода гидравлического расчета комбинированных дамб. Автореферат дисс. к.т.н. Тошкент 1991 27 с.

6. Шукурова С.Э. Бакиев М.Р. Проектирование односторонних комбинированных дамб. Монография, Ташкент, 2019, 122 с.

7. A.Khalimbetov, M.Bakiev, S.Shukurova, J.Choriev, X.J.Xayitov Study of submountain river flow patterns constrained by a combined dam-https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/614/1/012053/pdf

8. MR Bakiev, TN Tursunov, NT Kaveshnikov Operation of hydraulic structures. Tashkent, 2008, 320с.

9. MR Bakiev, EI Kirillova, R Hujaqulov Safety of hydraulic structures. TIM, 2008, 110с.

10. Masharif Bakiev, Uktam Kaxxarov, Azizjon Jakhonov, Otanazar Matkarimov. Kinematic characteristics of the flow, in the compression region, with bilateral symmetric restriction by floodplain dams. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 072017. 2020/6/1. 869 (7)

11. МР Бакиев. Закономерности растекания потока за глухой и сквозной шпорой. Автореф. канд. дисс. Ташкент. 1974

12. МР Бакиев, НП Тогунова. Регулирование русел поперечными комбинированными дамбами. Гидротехническое строительство. 4(14) 1991.

13. MR Bakiev, NP Togunova. Hydraulic design of through-flow dikes with variable build-up. Hydraulic construction journal. 12 14-17с. 1989г.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — М Р. Бакиев А. Б. Халимбетов К. Якубов

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — М Р. Бакиев А. Б. Халимбетов К. Якубов

Текст научной работы на тему «РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА, СТЕСНЕННОГО КОМБИНИРОВАННОЙ ДАМБОЙ СО СКВОЗНОЙ ЧАСТЬЮ ИЗ ТЕТРАЭДРОВ»