Методика расчета русловых карьеров для возведения насыпей подходов к мостам и регуляционных сооружений

На правах рукописи


НГУЕН ХОАНГ ХАЙ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РУСЛОВЫХ КАРЬЕРОВ

ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ НАСЫПЕЙ ПОДХОДОВ К МОСТАМ И РЕГУЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на каферде Геодезии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».
Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Федотов Григорий Афанасьевич.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор,

Перевозников Борис Федорович,

Консультант Гипростроймоста

кандидат технических наук, доцент

Наумов Геннадий Григорьевич. (МАДИ)
Ведущая организация: ОАО “Гипротрансмост”.

Защита диссертации состоится 17 мая 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете по адресу:
125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42

Телефон для справок – (499) 155-93-24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать по Е-mail : uchsovet@madi.ru


Автореферат разослан «17 » 04 . 2012 года.
Ученый секретарь

диссертационного совета Н.В. Борисюк


общая характеристика работы
Актуальность работы. При строительстве мостовых переходов все чаще насыпи подходов к мостам и регуляционных сооружений для снижения стоимости земляных работ возводят средствами гидромеханизации. Русловые карьеры при этом часто намечают на побочнях в непосредственной близости от строящихся мостов.

Размещение карьеров в руслах рек всегда сопровождается изменениями их руслового и уровенного режимов, тем более заметными, чем больше объем выработки грунта. Русловые карьеры после прекращения их разработки, заиляясь с верховой стороны и размываясь с низовой, перемещаются вниз по реке. Глубина выработки при этом уменьшается, а длина соответственно увеличивается. Это перемещение часто сопровождается подмывами берегов, водозаборов, размывами мостов, переходов коммуникаций и других инженерных сооружений в руслах рек.

Очень опасны постоянно действующие русловые карьеры, которые существенно влияют на уровенный режим рек на значительных участках выше и ниже по течению, при этом опасные деформации русел развиваются не только вниз по течению, но и вверх от карьеров в виде попятного размыва.

Устройство глубоких выработок грунта на побочнях выше мостов может оказаться для них катастрофическим.

Цель работы: разработка методики расчета русловых карьеров при возведении подходов к мостам средствами гидромеханизации.

Задачи работы:

1. Исследовать по материалам математического и полунатурного физического моделирования закономерности уровенных и русловых деформаций, которыми сопровождается сооружение русловых карьеров при производстве земляных работ с использованием средств гидромеханизации.

2. Разработать детальный (на основе решения дифференциальных уравнений баланса наносов и неустановившегося течения жидкости в конечных разностях) и упрощенный методы расчета русловых карьеров.

3. Дать рекомендации по безопасному размещению русловых карьеров при строительстве мостовых переходов и других инженерных сооружений на реках.

Объект исследования: деформации свободной поверхности потока и русел при устройстве русловых карьеров для возведения насыпей подходов к мостам и регуляционных сооружений.

Методика исследования: математическое моделирование с использованием универсальной методологии комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока и программы «Гидрам-3» предназначенной для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений на реках с различным типом руслового процесса, в том числе и русловых карьеров.

Основа методики — одновременное решение в конечных разностях трех дифференциальных уравнений:

1/ уравнения баланса наносов Экснера (математическая запись закона сохранения твердой фазы руслового потока):



(1)
2/ уравнения неразрывности неустановившегося потока (математическая запись закона сохранения жидкой фазы руслового потока):



(2)
3/ уравнения плавно изменяющегося неустановившегося течения потока в открытых непризматических руслах Сен-Венана (математическая запись законов сохранения энергии и количества движения):
(3)
где: G – расход наносов руслоформирующих фракций; l_р – длина по руслу; В_р – ширина русла (фронта переноса наносов); h_р – глубина русла от дна до бровок; t – время; Q – общий расход воды; l – длина по долине реки; ω – площадь живого сечения; l_б – бытовой уклон свободной поверхности потока; z – геодезическая высота (отметка) свободной поверхности потока; α – корректив кинетической энергии (коэффициент Кориолиса); V – средняя скорость течения; g – ускорение свободного падения; α₀ – корректив количества движения (коэффициент Буссинеска); К – расходная характеристика.

Научная новизна и значимость работы:

К настоящему времени разработка грунтов из русел рек превратилась в острую глобальную проблему, строгого решения которой пока нет. Предварительные решения её страдают грубыми допущениями и неточностями. Поэтому эта важная задача требует своего решения на новом современном научном уровне. В настоящей работе использовано компьютерное математическое моделирование с помощью программы «Гидрам-3» для решения этой актуальной задачи и исследования основных факторов, влияющих на деформации свободной поверхности потока и русел рек у русловых карьеров.

Достоверность и обоснованность:

Математическое моделирование позволяет и получать огромные объемы экспериментальной информации в масштабе 1:1 без негативного влияния масштабных эффектов. Тем не менее адекватность математической модели натурным процессам была обоснована материалами полунатурного моделирования руслового карьера на р. Баньке.

Практическая значимость работы :

Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать использовать формулы для быстрого прогноза деформаций свободной поверхности потока и русел рек в нижних и верхних бьефах после устройства русловых карьеров.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. 
   Алгоритм и принципы методологии комплексного расчета мостовых переходов и программы «Гидрам-3».
   
2. 
   Доказательство адекватности результатов моделирования по программе «Гидрам-3» и полунатурного эксперимента.
   
3. 
   Результаты, полученные при исследовании влияния разных факторов на деформации нижнего и верхнего бьефа после устройства русловых карьеров.
   
4. 
   Упрощенные формулы для быстрой оценки влияния русловых карьеров на существующие и проектируемые инженерные сооружения в руслах рек ниже и выше карьеров.
   

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях: в журнале «Наука и техника в дорожной отрасли». – 2011и в сборнике науч. тр. МАДИ (ГТУ). – 2012.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы, общие выводы, 96 рисунков, 7 таблиц, 123 графика, список литературы из 58 наименований.
Основное содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования и показана научная новизна работы, представлена практическая значимость работы.

В первой главе представлены общие понятия о речных карьерах и их основные принципы и условия размещения. При обзоре литературы по методике расчета деформаций русловых карьеров при проектировании мостовых переходов отмечено, что к настоящему времени, методов расчета деформаций русловых карьеров существуют немного. В Гипротрансмосте такие задачи решали с 1971 года, в МАДИ такими вопросами начали заниматься с 1984г. Имеются также работы за рубежом, где также вядутся интенсивные работы по добыче грунта из русел рек.

Дан анализ существующих методов расчета деформаций русловых карьеров на реках.

В настоящее время экономическое развитие большинства стран мира требует действий, направленных на получение быстрого экономического эффекта. Неслучайно поэтому получила распространение непродуманная варварская добыча природных ресурсов (табл. 1).

В частности, для выполнения строительных работ повсеместно ведут бесконтрольную добычу руслового аллювия.

Примеры годового объема добычи руслового аллювия:

Таблица 1

Год	Река	Объем добычи (млн.м3/год)	Страна
1980 1983	Стрый Прут Днепр Томь	5.0 1.6 1.2 10.0	Россия
2001	Manahara, Dhobi, Sanla	1.2	Nepal
2006	Periyar	11.7	Индия
2010	Hong	1.1	Vietnam

Как видно, в течение последних 30-ти лет во всем мире имеет место интенсивное увеличение объемов добычи аллювия из русел рек. И это понятно, поскольку человечество все более нуждается в нерудных материалах для строительства. Поэтому проблема оценки последствий забора аллювия из русел рек становится все более актуальной.

И это характерно не только для Вьетнама и России, но и для других стран, когда день за днем люди берут гравийно-песчаную смесь из русел при строительстве мостовых переходов, подходов, путепроводов и т.п. и не интересуются последствиями своих деяний.

Во второй главе рассмотрены алгоритм и принципы расчета по программе «Гидрам-3», исходная информация и результаты расчета по этой программе.

Универсальная методология комплексного расчета деформаций русел и свободной поверхности потока, разработанная в Гипротрансмосте в 1973 году и реализованная в виде компьютерной программы «Гидрам-3», предназначена для подробных гидравлических и русловых расчетов мостовых переходов и других гидротехнических сооружений в том числе и русловых карьеров на реках с различным типом руслового процесса.

С помощью программы «Гидрам-3» были рассчитаны деформации свободной поверхности потока и дна на участке экспериментального руслового карьера на реке Банька, выполненного Наумовым Г.Г. при проведении натурного физического эксперимента деформаций руслового карьера. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности результатов математического модеирования и полунатурного эксперимента.

На графиках представленных на рис.1 и 2 дано сравнеие результатов математического моделирования по программе «Гидрам-3» с результатами физического моделирования на р. Банке.
Рис. 1. Сравнение результатов расчета деформаций кривой свободной поверхрости потока на р. Баньке.
Рис. 2. Сравнение результатов расчета деформаций карьера на р. Баньке.

Таким образом доказано, что результаты математического моделирования адекватны натурным данным. Значит методология комплексного расчета и программа «Гидрам-3» адекватны физическим процессом и её можно использовать для математического моделирования деформаций русловых карьеров.

В третьей главе представлены результаты математического моделирования деформаций нижних бьефов русловых карьеров на разных реках.

Полученны следующие результаты:

1/ Исследование влияния купности наносов на характер деформаций низового забоя русловых карьеров:
Рис. 3. Кривые изменения отметок размытого дна вниз по течению от карьера в зависимости от крупности размываемого аллювия.

Как видно из совмещенного графика крупность наносов на характер деформаций низового забоя карьера практически не влияет (рис. 3).

2/ Исследования влияния уклонов свободной поверхности потока на характер деформаций низового забоя русловых карьеров:
Рис. 4. Кривые изменений отметок размытого дна вниз по течению от карьера при различных уклонах свободной поверхности потока.

Как следует из совмещенного графика, представленного на рис. 4, при изменении уклона свободной поверхности, практического влияния на характер русловых деформаций за низовым забоем не обнаружено.

3/ Исследования характера деформаций низового забоя в зависимости от протяженности карьера:
Рис. 5. Кривые изменения отметок размытого дна ниже карьера в зависимости от его длины.

Как следует из совмещенного графика, представленого на рис. 5, при разных длинах карьера имеет место небольшое влияние длины на характер деформаций низового забоя. Так при увеличении длинны карьера глубины размыва в нижнем бьефе оказываются несколько больше.

4/ Исследование влияния глубины карьера на характер деформаций низового забоя:

Рис.6. Кривые изменения отметок размытого дна в зависимости от глубины карьера.

Как следует из рис. 6 наибольшее влияние на характер изменения отметок размытого дна в нижнем бьефе оказывает глубина карьера. При разных глубинах карьера, характер деформаций низового забоя заметно меняется, при этом глубины размыва в нижнем бьефе оказываются тем больше, чем больше исходная глубина карьера.

Для быстрого определения величины среднего смыва грунта на любом расстоянии от низового забоя руслового карьера на основе обобщения материалов численных экспериментов получены упрощенные эмпирические зависимости.

расчетный l_к створ

h_б h_нер H_д

h_k h_m

h_{k УНС}

l_m

l₁ l₂

n.l_к

Рис. 7. Схема к расчету нижнего бьефа руслового карьера.

УНС – уровень неразмывающей скорости.

Общая структура эмпирической формулы принята:

, (4)
где: h_m – глубина среднего смыва грунта на расстоянии l_m от низового забоя;

h_k – начальная расчетная глубина карьера при УНС (уровне неразмывающей скорости);

l_к – длина карьера;

n – эмпирический коэффицент;

x – показатель степени.

Кривые размыва за низовым забоем, полученные в результате математического моделирования, можно разбить на два характерных участка: l₁ – участок интенсивного изменения глубин (криволинейная часть) и l₂ – участок медленного изменения глубин (линейная часть) (рис. 7).

Из графиков, обобщающих результаты математического моделирования на логарифмической клетчатке следует, что наилучший результат получается при “n = 2”. При этом все эмпирические точки попадают на разные линии, параллельные между собой. Отсюда, для определения показателя степени «x₁» принимаем равным “n₁ = 2”.


при n=2



Рис. 8. К определению степени (m) по результатам математического моделирования.

Из рис. 8 следует α = 71^о для всех точек экспериментальных данных, отсюда: x₁ = tg(α)  3.

Тогда для 1-ого участка при «x₁ = 3» и «n₁ = 2» - кривая среднего смыва дна в нижнем бьефе примет окончательный вид:

• 
  при 0  l_m < l_к (криволинейная часть ):
  

. (5)

На границе участков при l_m = l_к :

. (6)

Аналогично, из обобщающих графиков результатов математического моделирования по логарифмической клетчатке установлено, что наилучшие результаты получаются при величине “n = 50”. При этой все экспериментальные точки ложатся на разные линии, параллельны между собой. Приняв “n₂ = 50” мжно определить показатель степени «x₂».


при n=50



Рис. 9. К определению степени (m) по результатам математического моделирования.

Из рис. 9 получена величина α=78,5^о для всего набора экспериментальных данных, откуда следует: x₂ = tg(α)  5.

Тогда принимая для 2-ого участка «x₂ = 5» и «n₂ = 50», окончательно получим выражение для построения кривой смыва дна в нижнем бьефе:

• 
  при l_m  l_к (линейная часть ):
  

. (7)

В четвертой главе представлены результаты обобщения материалов математического моделирования деформаций верхних бьефов русловых карьеров на разных реках.

В результате обобщения материалов математического моделирования установлено, что:

1. На снижение свободной поверхности потока и русловые деформации в верхнем бьефе карьеров оказывают значительное влияние уклоны свободной поверхности потока. При этом, чем больше уклон реки, тем более заметно снижение отметок свободной поверхности при устройстве карьера.

2. Размеры карьера (длина и глубина) оказывают большое влияние на снижение свободной поверхности потока и деформации дна в верхнем бьефе.

При разных длинах карьера, отмечено большое влияние длины на снижение свободной поверхности потока и характер деформаций дна верхового забоя. Так при увеличении длины карьера происходит заметное снижение свободной поверхности потока и соответствующий рост глубин размыва в верхнем бьефе (рис. 10 и 11).
Рис. 10. Влияние длины карьера на снижение свободной поверхности потока.
Рис. 11. Влияние длины карьера на попятный размыв дна в верхнем бьефе.

При разных глубинах карьера отмечено большое влияние глубины на снижение свободной поверхности потока и характер деформаций дна в верхнем бьефе. Так при увеличении глубины карьера происходит заметное снижение свободной поверхности потока и соответствующий рост глубин размыва в верхнем бьефе (рис. 12 и 13).

Рис. 12. Влияние глубины карьера на снижение свободной поверхности потока.
Рис. 13. Влияние глубины карьера на попятный размыв дна в верхнем бьефе.

В результате исследования влияния размеров карьеров на деформации свободной поверхности потока и развитие размывов в верхнем бьефе доказанно, что величина снижения свободной поверхности потока (Z) в верхнем бьефе определяет соответствующий размыв дна (Н_д) в тех же створах.

0 расчетный створ к J_б

Z_x

z₀ , v₀ кривая спада Z

l_х h_рб

Н_д = Z_x Н_д = Z



Рис. 14. Схема к расчету верхнего бьефа руслового карьера.
В результате обобщения материалов математического моделирования получены упрощенные формулы для:

1. Определения снижения свободной поверхности потока (Z) и соответствующего размыва (Н_д) в створе бровки верхового забоя (см. рис. 14):

, (м) (8)
где: Q – общий расход (м³/с);

B_o – ширина разлива (м);

; ;

h_б – средняя по ширине разлива глубина потока (м);

h_к – средняя по ширине разлива глубина потока с учетом карьера (м);

С_к , С_б – коэффициенты Шези – Маннинга при h_к и h_б ;

J_б – бытовой уклон свободной поверхности потока;

l_к – длина карьера (м);

α_к , α_б – коэффициенты Кориолиса при h_к и h_б ;

g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²).

2. Определения снижения уровня воды и соответствующей глубины размыва дна в любом створе на расстоянии (l_x) от бровки верхового забоя карьеров (см. рис. 14):

Снижение уровня воды в любом створе на растоянии (l_x) от бровки верхового забоя карьеров:

, (м) (9)

где:

Z_x – снижение свободной поверхности потока в расчетном створе на расстоянии l_x от бровки верхового забоя карьера (м);

Z – начальное снижение свободной поверхности потока в створе бровки верхового забоя карьера (м);

J_б – бытовой уклон свободной поверхности потока;

– среднее относительное снижение уровня на участке l_x ;

– относительное снижение уровня в створе бровки верхового забоя карьера;

– относительное снижение уровня в расчетном створе;

h_б – средняя бытовая глубина всего потока (м).

Глубины попятного размыва дна (Н_д) в любом створе на растоянии (l_x) от бровки верхового забоя карьеров равны величине снижения свободной поверхности потока в тех же створах:

H_д = Z_x , (м) (10)
ОБЩие ВЫВОДЫ

1. 
   С использованием методологии комплексного расчета мостовых переходов и программы «Гидрам-3» проведено математическое моделирование и исследовано влияние различных факторов на деформации русловых карьеров.
   
2. 
   Доказана адекватность математической модели натурным процессам.
   
3. 
   Исследованы процессы, протекающие в ходе деформаций низовых забоев русловых карьеров и установлено, что:
   

на форму кривой размыва за карьерами (в нижнем бьефе) крупность руслового аллювия практически не влияет. Крупность размываемого аллювия влияет лишь на время, потребное для достижения наибольшего размыва;

уклоны свободной поверхности потока также не влияют на характер деформаций русловых карьеров в нижнем бьефе;

длина и глубина (размеры) карьеров уже оказывают заметное влияние на характер деформаций нижнего бьефа. При увеличении длинны карьера, глубины размыва в нижнем бьефе заметно возрастают. Но наибольшее влияние на характер изменения отметок размытого дна оказывает глубина карьера. При разных глубинах карьера, характер деформаций низового забоя заметно меняется, при этом глубины размыва в нижнем бьефе оказываются тем больше, чем больше исходная глубина карьера.

4. 
   Полученны эмпирические зависимости для быстрого прогноза глубин среднего смыва грунта за карьерами. Эти зависимости можно использовать для быстрой оценки влияния русловых карьеров на существующие и проектируемые инженерные сооружения в руслах рек ниже карьеров (мостовые переходы, переходы коммуникаций, водозаборы и т.д.).
   
5. 
   Исследованы процессы, протекающие в верхних бьефах русловых карьеров, и установлено, что:
   

в результате устройства русловых карьеров происходит снижение свободной поверхности потока и развитие попятного размыва в верхнем бьефе. При этом величина снижения свободной поверхности потока определяет соответствующий размыв дна в тех же створах;

на снижение свободной поверхности потока и русловые деформации в верхнем бьефе карьеров оказывают значительное влияние уклоны свободной поверхности потока. При этом, чем больше уклон реки, тем более заметно снижение отметок свободной поверхности и рост размывов при устройстве карьеров;

длина и глубина (размеры) карьера также оказывают большое влияние на снижение свободной поверхности потока и деформации дна в верхнем бьефе. При увеличении длины карьера при его разработке происходит снижение уровней воды и развитие попятного размыва дна на значительном участке реки выше карьеров. При увеличении глубины карьера, также происходит снижение свободной поверхности потока и увеличение деформаций дна выше верхового забоя.

6. 
   В результате обобщения материалов математического моделирования полученны упрощенные зависимости для:
   

определения снижения свободной поверхности потока (Z) и соответствующего размыва (Н_д) в створе бровки верхового забоя;

определения снижения уровня воды и соответствующей глубины размыва дна в любом створе на расстоянии (l_x) от бровки верхового забоя карьеров.
Основные положения диссертации опубликованы в работах :

1. 
   Последствия добычи грунта из русел рек и деформации низовых забоев русловых карьеров / Нгуен Хоанг Хай // Журнал «Наука и техника в дорожной отрасли».- 2011.- №. 4.- с.38 - 40.
   
2. 
   Деформации верхних бьефов русловых карьеров при добыче грунта из русел рек / Нгуен Хоанг Хай // Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ).- 2012.