CC BY
90
УДК 627.521.1
Босов Максим Анатольевич
Bosov Maxim
СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ РАЗМЫВУ ИСКУССТВЕННЫХ РУСЕЛ, УСТРАИВАЕМЫХ В ПОЙМАХ РЕК ЗАБАЙКАЛЬЯ
RESISTANCE TO RETROGRESSION OF ARTIFICIAL CHANNELS POND IN HIGH-WATER BEDS OF TRANSBAIKALIA
Описаны взаимосвязи потока и искусственного русла в несвязанных грунтах. Определена роль критических скоростей течения потока для проектирования. Определены средний диаметр и допустимые неразмывающие скорости для образцов грунта пойм ряда рек Забайкалья
The article describes interactions of stream and artificial channel in cohesionless soils. The role of critical flow velocity of a stream in design is determined. Mean diameter and allowable noneroding velocity for soil samples of some high-water beds of Transbaikalia are defined
Ключевые слова: искусственное русло; несвязанные Key words: artificial channel; cohesionless soils; critical flow грунты; критические скорости водного потока; до- velocities of water stream; allowable noneroding velocitiy of пустимая неразмывающая скорость течения; средний a stream; mean diameter of bottom sediments диаметр донных отложений
При решении таких водохозяйственных задач, как регулирование русел рек в судоходных и мелиоративных целях, проектирование водоотводных каналов, спрямление и расчистка русел рек возникает необходимость устройства искусственных русел высокой пропускной способности при наиболее экономичном варианте строительных работ. Для чего необходимо использовать данные науки о русловых процессах, систематизировать опыт проектирования и эксплуатации существующих русел [1, 2].
В результате длительного взаимодействия потока и русла проявляются связи между уклоном поверхности воды, расходом, формой русла и размерами твёрдых частиц грунта. Водный поток формирует ложе или русло в соответствии со своими особенностями и
свойствами грунта.
В Забайкалье преобладающее количество пойм рек сложено из несвязанных грунтов. Вследствие физико-географических условий региона и значительных уклонов в создаваемых искусственных руслах могут возникать значительные скорости течения воды, вызывающие их размыв.
В результате активного взаимодействия водотока и размываемого русла поток становится двухфазным (то есть почти всегда содержит и перемещает то или иное количество твердых частиц, появляющихся в результате размыва дна и берегов самого водотока).
Режим размыва дна и перемещение наносов по И.Ф. Карасеву [2] характеризуется критическими скоростями течения водного потока. При проектировании в расчетах наиболее
часто учитывается так называемая размывающая скорость - наименьшая скорость потока, при которой происходит непрерывный срыв отдельных зерен донных отложений и вынос их за пределы участка размыва.
Большинство формул по определению размывающей скорости потока сводятся к следующей зависимости:
ир = кёаНа, (1)
где 6 - средний линейный размер частиц наносов, отвечающий диаметру равновеликого шара;
Н - глубина потока; а1, а2 - показания степеней; к - коэффициент, определяемый большинством исследователей в лабораторных условиях.
Данной зависимости соответствуют формулы размывающих скоростей, полученные В.Н. Гончаровым, Г.И. Шамовым, А.М. Ла-тышенковым, Г.С. Чекулаевым, Б.И. Студенич-никовым, И.Я. Орловым, Л.Л. Лиштваном, Ю.А. Ибад-заде и другими исследователями [3, 4]. Из них наиболее известны: формула Г.И. Шамова:
= 4,6^
Н
(2)
формула А.М. Латышенкова имеет вид
= Ъ6^/^
г Н ^2
Гораздо чаще при проектировании используют понятие неразмывающей скорости (той предельной скорости, при которой основная масса частиц дна еще сохраняет состояние покоя), связанной с размывающей зависимостью [1]:
и н = ^. (4)
н 1,41
Усовершенствованную формулу неразмывающей скорости предложил В.Н. Гончаров [3]:
8,8Н
ё5
3,5/в
где 65 - средняя крупность наиболее крупной фракции, составляющей по массе 5 %;
Y з и Yв - соответственно удельная плотность зерен наносов и воды (2,65 и 1,00 т/м3);
6ср - средний диаметр донных отложений.
Ц.Е. Мирцхулава [4] получил зависимость
8,8Н
(6)
2т
[(/, - /. Ы, + 2С НК2 ]
]) 0,44/еп
где т - коэффициент условий работы (для чистых потоков т=1, при наличии потоков в коллоидном состоянии т=1,4);
п - коэффициент перегрузки, зависящий от отношения максимальных пульсационных скоростей вблизи дна к осредненным в той же точке:
п
и
\2
и
Д
(7)
Если нет специальных исследований, он определяется по формуле
п = 1 + -
0,00005 + 0Ж
(8)
(3) Сн - величина усталостной прочности на
разрыв мелкозернистых грунтов природного сложения
175
(9)
Сн =■ ун 1010
К2 - коэффициент, характеризующий вероятность отклонения показателя сцепления от его средней величины. Его значение колеблется 0,05.. .0,75.
Нормативным документом для определения значения ин является СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» (табл. 2 обязательного приложения 17) [5].
Очевидно, что ключевым моментом при
определении неразмывающих скоростей является средний диаметр (крупность) фракций, определяемый путем анализа гранулометрического состава образцов грунта пойм рек.
Грансостав определяется путем просеивания грунта. Стандартные размеры сит инженерно-геологической классификации: 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 7; 10; 20; 40; 60; 80; 100 мм.
Средний диаметр фракций опре-
деляется по формуле
_Л^гР1_
100
(10)
где $ - средняя арифметическая крупность данной фракции;
рI - процентное содержание этой фракции по массе.
Крупнообломочные и песчаные грунты принято классифицировать по зерновому составу [3].
При установлении вида грунта последовательно суммируют процентное содержание частиц различных фракций, начиная с крупных. Тип грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в табл. 1.
Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов
Таблица 1
Грунт Содержание частиц
крупность, мм % по массе сухого грунта
Крупнообломочный:
валунный >200 >50
галечниковый >10 >50
гравийный >2 >50
Песчаный: >2 >25
песок гравелистый >0,5 >50
песок крупный >0,25 >50
песок средней крупности >0,1 >75
песок мелкий песок пылеватый >0,1 <75
В ходе работы были обработаны гранулометрические составы образцов грунта по поймам ряда рек Забайкальского края по проектным и архивным данным «Забайкалзолото-проекта», «Забайкалводпроекта» и ВостокНИ-ИВХ в количестве 52 образцов. Из которых 27 относится к гравийным и 25 - к галечниковым грунтам. Средний диаметр исследуемых фракций гравийных грунтов колеблется 9,25...38,38
мм, а галечниковых - 21,37.186,99 мм.
Для образцов грансостава грунта по поймам рек были определены неразмывающие скорости по формулам Гончарова, Мирц-хулава, Шамова, Латышенкова при глубине 1 м. Значения полученных скоростей и процент их отклонения ( Д ) от нормативных данных СНиП 2.06.03-85 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения неразмьвающих скоростей
№ п/п Проба с поймы реки сСр, мм Неразмывающая скорость, автор формулы
Гончаров Мирцхулава Шамов Латьшенков по СНиП
ин, м/с А, % ин, м/с А, % ин, м/с А % ин, м/с А, %
1 Итака 36,4 1,38 26,0 1,88 -0,44 1,52 18,4 1,85 0,75 1,87
2 Шеркунча 10,3 0,91 27,1 1,24 0,62 1,00 19,4 1,27 -2,30 1,24
3 Унда 21,6 1,17 26,3 1,59 -0,21 1,28 19,0 1,59 -0,25 1,58
4 Цаган-Челутай 82,5 1,77 26,4 2,40 0,20 2,00 16,8 2,37 1,50 2,41
5 Б.Могоча 29,9 1,30 26,1 1,76 -0,29 1,43 18,8 1,75 0,52 1,76
6 Могоча 25,3 1,23 25,8 1,67 -0,80 1,35 18,5 1,66 -0,39 1,66
7 Дюлюшма 17,6 1,09 26,8 1,48 0,47 1,20 19,6 1,49 -0,26 1,49
8 Чикой 26,5 1,25 25,8 1,70 -0,73 1,37 18,5 1,69 -0,19 1,68
9 Мельничная 68,2 1,68 26,1 2,27 -0,22 1,88 17,25 2,24 1,29 2,27
10 Б. Амазар 31,5 1,32 26,1 1,79 -0,40 1,45 18,6 1,78 0,53 1,79
11 М. Амазар 48,5 1,51 25,7 2,05 -0,79 1,68 17,6 2,02 0,73 2,04
12 Б. Чокур 43,3 1,46 25,8 1,98 -0,62 1,62 17,9 1,95 0,80 1,97
13 Желтуга 54,5 1,57 25,5 2,13 -1,07 1,74 17,1 2,09 0,50 2,10
14 Дуча 62,8 1,64 25,8 2,22 -0,69 1,83 17,0 2,18 0,87 2,20
15 Кривая 66,9 1,67 26,0 2,26 -0,34 1,87 17,1 2,23 1,18 2,25
16 Ананахта 71,7 1,70 26,4 2,31 0,15 1,91 17,3 2,27 1,61 2,31
17 Ср. Борзя 20,1 1,14 26,6 1,55 0,27 1,25 19,4 1,55 -0,00 1,55
18 Черемная 37,1 1,39 26,0 1,89 -0,41 1,53 18,4 1,86 0,81 1,88
19 Б. Трошиха 33,0 1,34 25,9 1,82 -0,47 1,48 18,5 1,80 0,55 1,81
20 Тура 37,7 1,40 26,1 1,90 -0,37 1,54 18,4 1,87 0,87 1,89
21 Волокатуй 61,6 1,63 25,7 2,21 -0,77 1,82 17,0 2,17 0,79 2,19
22 Убыр-Шиния 48,1 1,51 25,6 2,05 -0,99 1,67 17,5 2,02 0,53 2,03
23 Глубокая 58,5 1,60 25,6 2,17 -0,95 1,79 17,02 2,14 0,63 2,15
24 Уров 21,6 1,17 26,3 1,58 -0,20 1,28 19,0 1,59 -0,25 1,58
25 Кудея 31,3 1,32 26,1 1,79 -0,38 1,45 18,7 1,77 0,53 1,78
26 Федоровский 30,2 1,30 26,1 1,77 -0,29 1,43 18,8 1,75 0,55 1,76
27 Синяха 44,1 1,98
Окончание табл. 2
№ п/п Проба с поймы реки сСр, мм Неразмывающая скорость, автор формулы
Гончаров Мирцхулава Шамов Латышенков 1= X С О С
ин, м/с А, % ин, м/с А, % ин, м/с А % ин, м/с А, %
28 Васильевка 69,9 1,69 26,2 2,29 -0,05 1,89 17,2 2,26 1,44 2,29
29 Амазаркан 27,9 1,27 25,9 1,72 -0,59 1,39 18,6 1,71 0,06 1,71
30 Зун-Хамара 80,5 1,76 26,5 2,38 0,27 1,99 16,9 2,35 1,61 2,39
31 Талый 31,6 1,32 26,0 1,79 -0,40 1,45 18,6 1,78 0,53 1,79
32 Буту Шэбэр 90,9 1,82 26,3 2,47 0,08 2,07 16,3 2,44 1,22 2,47
33 В. Шары-Горохон 38,4 1,41 26,1 1,91 -0,32 1,55 18,4 1,88 0,95 1,90
34 Урульга 64,8 1,65 25,9 2,24 -0,53 1,85 17,1 2,21 1,01 2,23
35 Большой Шахтаменок 25,9 1,24 25,8 1,68 -0,77 1,36 18,5 1,67 -0,30 1,67
36 Средняя Мостовая 39,6 1,42 26,2 1,93 -0,22 1,57 18,5 1,90 1,09 1,92
37 Балахня 93,3 1,83 26,3 2,49 0,08 2,09 16,2 2,46 1,17 2,49
38 Лучия 24,3 1,21 25,8 1,65 -0,73 1,33 18,6 1,64 -0,43 1,64
39 Баян-Зурга 17,6 1,09 26,8 1,48 0,46 1,20 19,6 1,49 -0,26 1,49
40 Козлиха 21,4 1,16 26,3 1,58 -0,14 1,28 19,1 1,58 -0,22 1,58
41 Большая 111,7 1,93 26,2 2,61 -0,11 2,22 15,1 2,60 0,53 2,61
42 Большой Коруй 9,3 0,87 26,8 1,19 0,09 0,97 18,8 1,23 -3,38 1,19
43 Горемнак 24,9 1,22 25,8 1,66 -0,80 1,34 18,5 1,66 -0,43 1,65
44 Черный Урюм 187,0 2,20 26,2 2,98 -0,03 2,63 11,8 3,03 -1,67 2,98
45 В. Тайна 30,4 1,30 26,1 1,77 -0,30 1,43 18,8 1,76 0,55 1,77
46 Кумыл 61,4 1,63 25,7 2,20 -0,78 1,81 17,0 2,17 0,78 2,19
47 Бухта-Бугарихта 76,8 1,74 26,6 2,35 0,44 1,96 17,3 2,32 1,83 2,36
48 Хор 61,4 1,63 25,7 2,20 -0,78 1,81 17,0 2,17 0,78 2,19
49 Шира 42,0 1,45 25,9 1,96 -0,47 1,60 18,2 1,94 0,91 1,95
50 Дульдурга 56,4 1,58 25,5 2,15 -1,03 1,76 17,1 2,12 0,55 2,13
51 Газимур 48,1 1,51 25,6 2,05 -0,99 1,67 17,5 2,02 0,53 2,03
52 Читинка (г. Чита) 37,2 1,39 26,0 1,89 -0,40 1,54 18,4 1,87 0,82 1,88
Как видно, данные формулы дают достаточно близкие результаты и вследствие чего являются применимыми для проектных расчетов. Максимальный запас по отношению к данным СНиП дает формула Гончарова, а значе-
ния скорости по формуле Мирцхулава наиболее близки к нормативным данным СНиП.
На рис. 1 показано распределение значений неразмывающих скоростей по образцам грансоставов.
е ы н н а Ч в x и щ
юы
аы
^ 5
аа с и ор С. ь
I
ои
р
с
о
в
т
с
е
т
и
л
о
14
12
1о
2, 4, 6, 8, ..2,о 2, ,2. 4, ,2. 6, ,2. 8, ,2. О со
1 .2, 1,41. 1,61. 1,81. 2,01. 2,21. 14, ,2 2,61. 2,81.
Интервалы неразмывающих скоростей, м/с
8
6
4
2
о
Рис. 1. Распределение значений неразмывающих скоростей
Таким образом, можно сделать вывод, что преобладающее количество пойм рек Забайкалья сложено из несвязанных гравийно-галечниковых грунтов. Для данных образцов значения неразмывающих скоростей лежат в
1. Абальянц С.Х. Устойчивые и переходные режимы в искусственных руслах / С.Х. Абальянц. -Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 240 с.
2. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока /И.Ф. Карасев. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 288 с.
3. Мирцхулава Ц.Е. Основы физики и механики эрозии русел / Ц.Е. Мирцхулава. - Л.: Гидро-
пределах 1...3 м/с. Причем около 60 % из них находятся в пределах 1,61.2,4 м/с. Для более точного определения необходимо увеличение ряда проб гранулометрического состава.
_______________________________Литература
метеоиздат, 1988. - 303 с.
4. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости / Ц.Е. Мирцхулава. -М.: Колос, 1967. - 179 с.
5. СНиП 2.06.03.-85. Мелиоративные системы и сооружения. - Взамен СНиП 11-52-74; ут-вержд. 1985-17-12. - М.: ЦНИП Госстроя СССР, 1986. - 60 с.
Коротко об авторе___________________________________
Босов М.А., аспирант, Читинский государственный университет (ЧитГУ) служ. тел.: 26-42-56
Научные интересы: гидротехника, размыв естественных и искусственных русел в несвязанных грунтах
______________________________________Briefly about author
Bosov M, graduate, Chita State University (ChSU)
Scientific interests: hydraulic engineering; retrogression of natural and artificial channels in cohesionless soils
