Құлжаева Р.А., Сарбасова Г.А., Дүйсенбаева С.Т., Үйсимбаева Ж.Т

 

М.Х. Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті

 

Селден қорғау құрылымдарының модельдерінде жүргізілген  лабораториялық эксперименттердің негізгі нәтижелері

      

Эксперименттер түрлері мен мақсаты әртүрлі үш қондырғыда жүргізілді. Эксперименттер мақсаты – модельдерде селдің қатты (қозғалмайтын) және серпімді (қозғалатын) құрылымдармен өзара әсерінің механизмін зерттеу; анықталатын параметрлерді табу және селдің құрылыммен соқтығысуы процесінің физикалық схемасын жасау; құрылымға түсетін селдің күшін сандық мөлшерде бағалау. Тәжірибелер барысында құрылымға түсетін жүктеме; құрылымның орын жылжытуын (қозғалғыштығы); сел толқыны майданының жылдамдығы мен биіктігі; науа түбіне түсетін шағын селдердің орташа және пульсациялық қысымы; кейбір жармалардағы ағынның еркін бетінің деңгейі өзгеруі; әртүрлі еңістіктердегі сел массасының шөгу сипатын; кейбір тосқауылдар мен құрылымдарды айналып өту жылдамдығы анықталды.

         Үлкен және шағын сел стендтері сел ағынын қоздыратын қоспалар қозғалысын зерттеуге, шағын селдің қозғалмайтын және орын ауыстыратын тосқауылдармен өзара әсерін бағалауға, құрылымдардың жоғарғы және төменгі бьефтерінде сел шөгінділерінің түзілу сипатын зерттеуге мақсатталған. Үлкен стенд ені 25см, биіктігі 40 см, ұзындығы 6,0 м, айнымалы еңістікті  көлбеу науадан тұрады. Алдын-ала дайындалған сел массасы артылған бункер, науаның жоғарғы бөлгінде орналасты. Бункер қапағын ашқанда сел массасы, төменгі жағында құрылымның моделі орнатылған науа бойынша қозғала бастады.

         Науалы түрдегі стендтің ең үлкен кемшіліктерінің бірі, мұндай қондырғыда жоғары жылдамдықты қозғалыстағы сел ағынының қатты тығыздығын  (2,4 т/м3 дейін) жасаудың мүмкіншілігі жоқтығы. Сондықтан, сел ағынын қоздыратын қоспалар қозғалысының құрылыммен өзара әсерін зерттеу кезінде тағы да бір эксперименталды қондырғыны қолдандық. Ол көлбеу эстакададан, жылжымалы арабадан және құрылым моделі орналасқан қозғалмайтын горизонталь орнатылған үстелден тұрады. Сел массасымен толтырылған араба, эстакаданың жоғарғы горизонталь бөлігінен түсіп, қажетті жылдамдықты алған соң, төменгі көлденең бөлікпен қозғала бастады. Сел массасы бұл кезде пышақпен кесілді, және инерциямен қозғала отырып, құрылымның моделіне соғылды. Араба үстел астынан жүріп өтіп, тоқтату құрылғысында тоқталды. Соғылу жылдамдығы арабаға салынатын сел массасы салмағымен реттеліп отырды. Бұл қондырғы соғылатын сел массасының алдыңғы майданы пішінін өзгертуге мүмкіндік береді (сурет 1).

        

 

 

 

         1-тіреу; 2-жылдамдық алу бөлігі; 3-араба; 4-үстел; 5-құрылым моделі; 6-тұғыр.

Сурет 1 – Эксперименталды қондырғының нобайы

 

Эксперименталды қондырғыда сел массасы белгілі жылдамдыққа дейін қуылды және қысым мен қозғалу датчиктерімен жабдықталған тосқауылмен (қатты және жұмсақ) жабдықталды. Жылжымалы (жұмсақ) тосқауылды, соғылатын сел массасы әсерімен ешқандай кедергісіз қозғалатын арнайы бағыттағыштар орнатылды. Жылжу серпімділігі ауысымды серіппелермен қамтылды. Сел массасы тоқтау кезінде тосқауылмен сыналатын күшті, анықтамадағы ұсыныстарға [1] сәйкес жеке пластиналардың деформацияға ұшырауы бойынша бағаланды. Өлшеу әдісі мен тіркеу аппаратурасын оларға қойылатын талаптарға сәйкес таңдап алынды – сызықтық, тұрақтылық,  динамикалық ауытқудың жоқтығы, зерттелетін процесс жиілігінің өлшенетін элементтердің жиілік сипаттамаларымен өзара байланыстылығы [2].

         Қозғалысты өлшеу қателігі 1,5% құрады. Тосқауылға таяну кезіндегі сел массасының қозғалу жылдамдығы үзілетін байланыстар нобайы бойынша анықталды. Арна түбіне түсетін сел массасының қысымы диодты механотронмен өлшенеді. Толқын биіктігі пьезометрлердің айырмасы ретінде анықталды. 

         Динамикалық күшті өлшеуге арналған тосқауылды сел толқынының майданының тұрақты қозғалу аймағына орнатылды. Датчиктерден келетін сигналды осциллографтарға синхронды жазып отырды, бұл әрбір тәжірибеде барлық тіркелетін шамаларды уақыт арасында кезектілікпен өлшеп отыруға мүмкіндік берді.

         Селге арналған  стендтерде қозғалмайтын арналардағы селдің түзілу және ағу процестері зерттелді. Лайлы-тасты селдің қозғалуының сипатты ерекшеліктері – ағынның алдыңғы майданы мен көлемінің көрнекілігі анықталды. Сел толқынының қозғалуы көтеріңкі қозғалу қабілеті бар гидравликалық шапшыма қозғалысын еске түсіреді. Селдің алдыңғы майданының қозғалу жылдамдығы, ағыстан жоғары майдандағы орныққан ағын жылдамдығына қарағанда кіші екені анықталды. Бұл сел массасының ағынның бас бөлігіне тасымалдануына және оның өсуіне алып келеді. Белгіленген тастармен эксперименттер жүргізу, лайлы-тасты ағынның алдыңғы жағында мейлінше ірі тастардың жиналуына ықпал ететін, өзіндік сұрыптаудың бар екенін көрсетті. Селдің түзілу процесіне арнаның бұжырлығы, оның еңістігі, ағынның қатты материалдармен қанықтылығы әсер етеді. Лайлы-тасты ағын үшін арнаның бұжырлығын төмендету толқын майданы биіктігінің төмендеуіне және қозғалу жылдамдығының біршама ұлғаюына алып келді.

         Шымалған селді зерттеу полигонында, арнаның бұжырлығы мардымсыз, сел түзілудің бастапқы бөлігінде ағынның жайылу майданы жойылып кеткен. Бұжырлығы жоғары бөлікке өткен бойда, ағын қатты материалдармен қанығуымен және «ісінген кезде» толқынды қозғалыс түріндегі сел майданы қалыптасты.

         Сел толқыны майданының пішінін ағын деңгейінің 0-ден  аралығында өсу уақытымен сипаттауға болады. Біздің тәжірибелерде  гидравликалық науаларда деңгейдің өсу кезеңі ағын тереңдігі 28 см кезінде  0,02-0,3 с аралығында ауытқыды.

         Сел күшін анықтау стендіндегі тәжірибелерде соғылу жылдамдығы 9,2 м/с, салмақ – 48 кг, сел толқыны майданының биіктігі – 28 см, грунт тығыздығы 1,7-2,21 г/см3 шамасында болды.

         Тәжірибелерді түйіршік құрамы әртүрлі сел массасының үлгілерімен жүргіздік (кесте 1), бірақ соққы салмақтарының грунттардың реологиялық қасиеттерімен қандайда-бір байланысы бары анықталмады.

         Соққы кезінде дамитын күштерді зерттеу, жылдамдығы жоғары ағынның құрылыммен өзара әсерге түсуінің екі кезеңі барын анықтауға мүмкіндік берді: сел толқынының алдыңғы жағындағы соққы; сел ағынының негізі көлемінің әсері (құрылымды айналып өту).

 

Кесте 1 – Сел массасының түйіршік құрамы, %

 

Үлгі

№№

Фракция мөлшері, мм

 

70-40

40-20

20-10

10-5

5-1

1-0,5

0,5-0,001

1

 

4,21

5,32

12,86

36,83

11,58

29,20

 

2

 

1,82

6,06

10,30

45,64

10,58

25,60

 

3

 

 

1,98

3,17

13,04

3,61

78,20

 

4

2,80

5,38

5,80

7,63

33,23

11,06

34,10

 

5

2,51

5,03

5,15

7,96

30,73

15,70

31,90

 

6

12,98

7,76

5,06

6,40

20,44

8,22

39,14

 

7

14,16

15,52

7,91

5,63

10,76

7,12

38,90

 

8

2,98

9,92

5,95

8,93

22,14

6.58

37,51

 

9

31,48

14,43

12,13

7,05

13,74

2,37

23,90

 

10

 

1,68

5,04

8,62

30,8

13,06

40,80

 

11

13,82

21,10

11,30

7,29

11,93

4,56

30,00

 

 

 Ескерту: Үлгілер № 1-3 Құмбел арнасынане алынған; № 4,5 – Үлкен Алматы өзені, ГЭС-2 маңы; № 6,7 – Ақжар өзені; № 8 – Үлкен Алматы, Құмбел өзені сағасы; № 9,11 – Жабайы сайы; № 10 – Үлкен Алматы, Ақсай өзені сағасы.

    Қатты тосқауылға сел соққысы бойынша эксперимент нәтижелерін өңдеу 2-кестеде, және на рисунках 2-3 суреттерде келтіріледі. Салыстыру үшін, ГрузНИИГиМ [3,4,5 және т.б.] орындалған, жапон ғалмдарының болмыстық зерттеулері [6], ҚазЭҒЗИ ғалымдарының [7] және де бірқатар біздің қатты жылдамдықпен соғылатын аймақтарға жататын тәжірибелердің эксперименттік деректері бірлескен графикте (2-суретке қараңыз) келтіріледі. Соққы жылдамдығы 4,5 м/с дейінгі облыста тәжірибелік деректердің қатты ауытқуы бақалады, бұл төмендегі теңдеудегі коэффициенттерді анықтауды өңдеуде 

 

                                                                                          (1)

 

Соққылардың үлкен жылдамдықтар облысындағы эксперименттермен жақсы сәйкестіктер болды.

 

Кесте 2 – Қозғалмайтын құрылымға селден түсетін динамикалық салмақ  және соққыдан кейінгі сел массасының тығыздығы 1(г/см3)

 

 

 

Соғылу жылдамдығы

 

Теңдеу коэффициенттері (1)

 

 

А=66381

В=-73220

С=20154

А=73905

В=-77251

С=20154

А=81831

В=-81282

С=20154

А=90161

В=-85312

С=20154

 

 

 

1,0

1,9120

61,9375

2,1128

64,875

2,3138

68,8125

2,6213

75,875

2,0

1,9226

105

2,1256

117,56

2,3287

131,75

2,6383

153,56

3,0

1,9372

171,31

2,1424

197,125

2,3478

225,375

2,6597

268,44

4,0

1,9535

256,25

2,1609

297,94

2,3684

342,75

2,6826

411,88

5,0

1,9705

355,88

2,18

415,88

3,3893

479,69

2,7056

578,125

6,0

1,9878

469,31

2,20

549,25

2,4102

633,75

2,7285

764,94

7,0

2,005

594

2,218

695,625

2,4307

802,6875

2,7509

969,06

8,0

2,0221

729,56

2,2366

854,19

2,4509

985,19

2,7729

1189,31

9,0

2,0389

875,06

2,255

1023,94

2,4707

1180,125

2,7945

1424,44

10,0

2,0555

1029,31

2,273

1203,88

2,4901

1386,625

2,8155

1673,125

        

 

Гравитациялық ұқсастық ережесімен 2,4 г/см3 тығыздығына есептелген эксперименттік деректер және соғылу жылдамдығы 10 м/с болғанда, бізбен ұсынылатын байланыстылықпен  салыстырлады (сурет 3). Бұл есептің дұрыстығы күмәннің болуы дұрыс, бірақ С.С. Григорян құрылымға ұрынған қар көшкіні соққысын модельдеу үшін кіші жылдамдықтармен соғылу кезінде модельден болмысқа келтіруді Фруд бойынша, яғни гравитациялық ұқсастық критерийі бойынша есептеуді ұсынады. Эксперименталдық деректер ұсынылатын тәуелділікпен қанағаттанарлықтай сәйкес келеді (3-суретке қараңыз) – «ГрузНИИГМ» тәжірибелері және жапон ғалымдарының болмыстық деректері 2,4 г/см3 және 10 м/с жасалған орташа шамасы 14,44*105 Па, ал есептік байланыстылықтар бойынша – 16,7*105 Па құрады.

 

 

 

Сурет 2 –  байланыстылығы: 1- «ГрузНИИГМ» тәжірибелері; 2-ҚазЭҒЗИ тәжірибелері; 3-болмыстық мәндер,  г/см3 – ұсынылатын шамалар.

 

 

 

 

 

Сурет 3 – Ұсынылатын тәуелділікті  тәжірибелік және болмыстық деректермен салыстыру: 1- «ГрузНИИГМ» тәжірибелік мәндері; 2-болмыстық деректер;  г/см3 – ұсынылатын шама.

 

         Қысым эпюраларын талдау, соққы жүктемелері ұсынылған болжамға сәйкес уақыт бойынша өзгереді – ең жоғарғы қысым соққыдан туындаған толқынмен түзіледі (қирату толқынымен). Онан кейін салмақ түсіру және тығыздау толқындары жүреді, содан кейін тосқауылды айналып өту тоқтайды, оған түсетін салмақ тоқтаған сел массасының гидростатикалық қысымымен анықталады.

         Келтірілген материалдар мен графиктер, есептік жолмен алынған байланыстылықтардың  «ГрузНИИГМ» тәжірибелері және жапон ғалымдарының болмыстық деректері, ҚазЭҒЗИ ғалымдарының, біздің тәжірибелердің және қар көшкінінен түсетін салмақ деректерімен сәйкестігін көрсетеді. Осыған орай, қабылданған болжам мен жіберілген рұқсаттар негізделген, ал жасалған модель селдің тосқауылға соққысының динамикасын көрсетуі қанағаттандырарлық деп айтуға болады.

 

 

Қолданылған әдебиетттер

 

1. Вибрация в технике. Справочник. Измерения и испытания. М., 1981. 496с.

2. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. М.1966. 689с. 

3. Гагошидзе М.С. Селевые явления и борьба с ними. Тбилиси, 1970. 386с.

4. Методические рекомендации по гидравлическому расчету селеудерживающих и селепропускных сооружений. Тбилиси. 1978. 58с.

5. Сохадзе Л.Д. Результаты лабораторных исследований противоселевой конструкции со ступенчатой напорной гранью//Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1984. С.60-64.

6. Suwa H., Okuda S.//Bull. Of the Disaster Prev. Res. Inst. Kjoto Univ. 1973. V.16. Part B. P.425-432. 

7. Квасов А.И. Развитие представлений о природе селевых явлений и характере необходимых противоселевых мероприятий в районе г.Алма-Аты//Проблемы противоселевых мероприятий. Алма-Ата, 1986. С.62-71.