Д.т.н. Касымбеков Ж.К., к.т.н. Шинибаев А.Д.

Казахский национальный технический университет им.К.И.Сатпаева

Натурные исследования местного размыва при эксплуатации водоРЕГУЛирующих сооружении на каналах

Натурные наблюдения первоначально проводились над регулирующими сооружениями с круглыми трубами на канале I-P-I Кзыл-Кумского массива орошения Южно-Казахстанской области. Трубы сооружения с d=1,5м были затоплены, а в конце их устроены гасители в виде полукольцевых диафрагм. Глубина в верхнем бьефе сооружений составляла h_вб=2,31м,а глубина в нижнем бьефе первого сооружения h_нб=2,06 м и второго сооружения h_нб=1,90 м. Сооружение рассчитывалось на пропуск расхода до Q_н=10м³/с. Затвор правой трубы первого сооружения во время обследования был опущен на 30 см ниже затвора левой трубы, что обусловило появление сбойного течения и размыва дна и боковых откосов русла.

В ходе наблюдения было установлено,что сбойное течение за регулирующими сооружениями на каналах может возникнуть даже при небольшой разнице расходов, пропускаемых трубами (пролетами). Для наглядности процесса,на рисунке 1 показана эпюра распределения скоростей.

Рис. 1. Эпюра распределения скоростей в плане

Здесь, значения скоростей в каждой точке выбраны как средние из трех измерений при помощи гидрометрической вертушки типа Ж-3.

Сбойное течение, возникшее за сооружением обусловило размыв как дна, так и боковых откосов русла. Часть крепления нижнего бьефа, длиной местами до одного метра, находилась над воронкой размыва. На рисунке 2 показаны поперечные профили русла в конце крепления и на участке размыва русла.

Рис. 2. Поперечные профили русла на участке

размыва двухочковым регулятором

Оказалось, что с увеличением напора на сооружении и уменьшением глубины в нижнем бьефе, способность потока к размыву за сооружением увеличивается(рис.3). На рисунке показано разрушение крепления нижнего бьефа трехочкового трубчатого сооружения с круглыми трубами на канале 2-Д-2 К Кзыл-Кумского массива. Здесь, левая крайняя труба сооружения перекрыта наполовину, две остальные открыты полностью, что усиливает неравномерность распределения удельных расходов по ширине русла за сооружением. Крепление нижнего бьефа сооружения на 80-90% разрушено. Для предотвращения прорыва дамб канала, во второй половине вегетационного периода был произведен завал воронки размыва грунтов и дополнительное уплотнение дамб канала.

Рис. 3. Местный размыв за трехочковым сооружением

Подобное разрушение имело место и за другим двухочковым сооружением на том же канале, котрорый рассчитан на пропуск расхода 10 м³/с. Напор на сооружении во время обследования был равен 0,4м. Из-за разрушения крепления в нижнем бьефе конец левой трубы сооружения начал оседать в воронку размыва, что отчетливо видно на рисунке 4.

Рис. 4. Повреждение крепления нижнего бьефа двухочкового регулятора.

Наряду с размывом дна, к разрушению подвергался также правый берег канала. Ширина потока по зеркалу в месте найбольшего размыва в плане равнялась 12,3 м, а в канале за участком размыва – 7,5м. На рисунке 5 показаны эпюры скоростей в плане, построенные по данным измерений на глубине 0,4 h_нб.

Рис. 5. Эпюра распределения скоростей в плане за двухочковым регулятором.

Установлено,что разрушение крепления нижнего бьефа из-за местных размывов может происходить также при симметричной работе сооружения.К такому случаю можно отнести двухочковое сооружение с безнапорными трубами на канале Ш-Х-2 Кзыл-Кумского массива орошения. При этом,часть крепления этого сооружения подвергалалось разрушению, плита крепления потоком переместилась на дно воронки размыва, а оставшаяся часть крепления - к откосу воронки.

Подобный размыв происходил при движении потока за одноочковыми сооружениями с безнапорными трубами прямоугольного поперечного сечения, шириной в_тр=1 м на канале Ш-Г-3. За сооружением с меньшей глубиной в нижнем бьефе (рис. 6) размеры воронки размыва оказались значительными как на дне, так и у боковых откосов. Конец крепления длиной около 1,5 м находился над воронкой размыва.

Рис. 6. Поперечные профили русла за однопролетным сооружением.

На Шардаринском канале Кзыл-Кумского массива орошения,несмотря на наличие гасителей в виде водобойной стенки высотой 0,7м на расстоянии 5 м от выходного сечения перекрывания левой крайней трубы, в конце вегетационного периода наблюдался размыв дна русла глубиной около одного метра, а также повреждения дамбы канала за каменной отсыпкой.

В целом,результаты натурных исследований показывают, что за сооружениями на каналах сопряжение потоков происходит посредством участка со сбойным течением, обуславливающим наряду с размывом дна, также размыв боковых откосов русла. На глубину и размеры в плане воронки размыва, значительное влияние оказывают условия работы сооружения,как несимметричность расположения труб и глубина наполнения отводящего канала.

Большая часть избытка кинетической энергии потока рассеивается в прыжке, а некоторая часть затрачивается на участке местного размыва русла. С этой точки зрения, воронку размыва можно рассматривать как естественное местное сопротивление, создаваемое самим потоком, в котором гасится часть энергии и происходит перераспределение скоростей, как по глубине, так и в плане.

Для достаточно точного определения глубины воронки размыва необходим правильный выбор расчетной схемы и учет свойств грунтов, слагающих русло. Такая схема должна отражать особенности форм сопряжения потоков на участке размыва и состояние потока в конце крепления, определяемые конструкцией сооружения и условиями его эксплуатации.

Литература:

1. Шинибаев А.Д. Конструктивные особенности водорегулирующих сооружений и условия их эксплуатации //2-я Центрально-Азиатская Международная конференция.Тезисы докладов. - Алматы, 2001. с.42-46.