UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The article describes the results of work on studying riverbed processes and developing recommendations for protecting the technical corridor of underwater pipelines on a section of the Ural River. Hydrometric measurements of the main parameters of the flow and channel were carried out using the ADCP method and a multibeam echo sounder. Detailed proposals are given for the protection of engineering structures along the river section using hydraulic structures and methods. Such studies are recommended to be carried out to prevent possible emergency situations at hydraulic facilities as a result of the impact of negative channel deformations.
Bed processes, negative channel deformations, engineering structures, ADCP, multibeam echo sounder, channel survey, recommendations for river bed protection.
Применение ADCP метода для исследования плана течений и прогноза русловых процессов
Одной из наиболее острой проблемой предотвращения аварийных ситуаций является обеспечение динамической стабильности русла реки (канала) в районе инженерных сооружений: (водозаборы, подводные переходы трубопроводов, берегоукрепительные и стокорегулирующие конструкции, узловые сооружения для отвода воды в каналы низшего порядка и др.)
Для исследования русловых деформаций был выбран участок реки Урал на участке подводного перехода трубопроводов. В полевых исследованиях и разработке рекомендаций по защите русла реки от неблагоприятных деформаций принимали участие сотрудники отдела гидротехники и гидравлики ВНИИГиМ. Работы включали: русловую съемку, отбор и анализ проб донных отложений на гранулометрический состав, измерение скоростей течения ADCP методом (Acoustic Doppler current profiler) [1], позволяющим с высокой точностью определять скорость и направление течения по глубине потока.
Измерения скоростей на участке реки производились в период спада половодья на семи гидрометрических створах. Все измерения на створах были проведены в мае 2019 года при среднем уровне воды в реке 76.28 м. абс. (БС). Результаты русловой съемки показаны на рисунке 1, карта донных отложений – на рисунке 2.
Рисунок 2. Донные отложения на участке реки
В таблице 1 представлены основные параметры потока на гидростворах, рассчитанные по каждому из проходов промерного судна, а также средние их величины. Погрешность измерения средних величин гидрологических характеристик не превышала 3% при доверительной вероятности 95%.
Таблица 1. Результаты измерения основных гидрологических характеристик на гидрометрических створах
|
№№ прохода |
Время (моск.) |
Средний уровень воды на створе, м БС |
Суммарный расход воды Q, м3/с |
Площадь сечения разреза, м2 |
Средняя скорость течения U, м/с |
|
ГС 2 - 23.05 ( расстояние между берегами около 140 м) |
|||||
|
1 |
15:50 |
76.32 |
238 |
314 |
0.76 |
|
2 |
15:52 |
76.32 |
244 |
310 |
0.79 |
|
3 |
15:53 |
76.32 |
243 |
311 |
0.78 |
|
4 |
15:55 |
76.32 |
240 |
312 |
0.77 |
|
Средн. |
|
|
241 |
312 |
0.77 |
|
ГС 6 - 23.05 ( расстояние между берегами около 130 м) |
|||||
|
1 |
15:33 |
76.29 |
240 |
325 |
0.74 |
|
2 |
15:36 |
76.29 |
245 |
329 |
0.74 |
|
3 |
15:38 |
76.29 |
238 |
334 |
0.71 |
|
4 |
15:45 |
76.29 |
235 |
326 |
0.72 |
|
Средн. |
|
|
240 |
329 |
0.73 |
|
ГС 7 - 23.05 ( расстояние между берегами около 130 м) |
|||||
|
1 |
15:24 |
76.27 |
245 |
341 |
0.72 |
|
2 |
15:26 |
76.27 |
238 |
346 |
0.69 |
|
3 |
15:27 |
76.27 |
240 |
350 |
0.68 |
|
4 |
15:29 |
76.27 |
243 |
348 |
0.70 |
|
Средн. |
|
|
241 |
346 |
0.70 |
|
ГС 8 - 23.05 ( расстояние между берегами около 120 м) |
|||||
|
1 |
15:05 |
76.25 |
241 |
355 |
0.68 |
|
2 |
15:08 |
76.25 |
243 |
357 |
0.68 |
|
3 |
15:10 |
76.25 |
241 |
357 |
0.67 |
|
4 |
15:12 |
76.25 |
241 |
355 |
0.68 |
|
Средн. |
|
|
242 |
356 |
0.68 |
|
ГС 9 - 23.05 ( расстояние между берегами около 100 м) |
|||||
|
1 |
14:49 |
76.17 |
243 |
248 |
0.98 |
|
2 |
14:51 |
76.17 |
244 |
248 |
0.98 |
|
3 |
14:53 |
76.17 |
240 |
248 |
0.97 |
|
4 |
14:54 |
76.17 |
244 |
247 |
0.98 |
|
Средн. |
|
|
243 |
248 |
0.98 |
|
ГС 10 - 23.05 ( расстояние между берегами около 145 м) |
|||||
|
1 |
16:01 |
76.34 |
240 |
340 |
0.71 |
|
2 |
16:03 |
76.34 |
249 |
336 |
0.74 |
|
3 |
16:05 |
76.34 |
235 |
334 |
0.70 |
|
4 |
16:07 |
76.34 |
235 |
334 |
0.71 |
|
Средн. |
|
|
240 |
336 |
0.71 |
|
ГС 11 - 23.05 ( расстояние между берегами около 100 м) |
|||||
|
1 |
14:30 |
76.10 |
240 |
272 |
0.88 |
|
2 |
14:31 |
76.10 |
241 |
276 |
0.87 |
|
3 |
14:34 |
76.10 |
242 |
270 |
0.89 |
|
4 |
14:35 |
76.10 |
239 |
276 |
0.87 |
|
Средн. |
|
|
240 |
274 |
0.88 |
Обработка записей ADCP производилась с помощью программы «WinRiver2» [2]. Для оценки скоростей течения и расходов на участках с глубинами, меньшими, чем те, при которых можно использовать ADCP, были применены численные экстраполяционные методы. Построение плановых изображений проводилось с помощью программ Voxler [3] и Surfer [4].
Результаты измерения распределения скоростей потока представлены на рисунке 3 (по сечению ГС2).
Рисунок 3. Распределение скоростей течения по поперечному сечению (ГС2)
Технические возможности профилографа ADCP не позволяют измерять скорости течения до глубины около 1 м и в придонном слое толщиной, равной 6% от глубины места. Расчеты расходов за пределами области непосредственных измерений проводились по значениям скоростей, полученным путем экстраполяции с использованием общепринятых стандартных формул, заложенных в программу обработки WinRiver2.
Усреднение для каждого створа производилось по четырем проходам зондирующего катера для прямоугольных областей размером 1м (по вертикали) на 10м (по горизонтали), то есть примерно по 300-500 измеренным значениям мгновенных скоростей, что обеспечивает хорошую статистическую достоверность результатов. Анализ полученных результатов показывает, что поле скоростей характеризуется сильной изменчивостью направлений и наличием областей с отбойными течениями и противотоками.
Рекомендации по ликвидации сбойных течений и размывов на р. Урал в районе инженерных сооружений
Анализ материалов и разрботка мероприятий по защите русла реки от неблагоприятных деформаций проводились с использованием наработок отдела гидротехники и гидравлики в этой области [5, 6, 7, 8]
Для предотвращения размывов, активных русловых деформаций в зоне технического коридора необходимо провести комплекс проектных, строительно-монтажных и русловыправительных работ:
- Технический коридор находится в вершине излучины реки, что провоцирует сбойность течения, формирование русловой ложбины под левым берегом и оголению ниток трубопроводов под левым берегом. Естественная структура потока на участке также изменена дноукрепительными работами, которые привели к местному увеличению скоростей течения в реке и соответственно к увеличению местных деформаций дна (3-я и 4-я нитки у левого берега). На нижних нитках 9-й, 10-й и 11-й сползшее берегоукрепление из бетонных плит затормозило активное развитие меандры и служит поддерживающим фактором предупреждения плановых деформаций. Одновременно сужение сечения потока привело в увеличению вертикальных размывов в реке на нижних по течению нитках.
- Изменить полностью гидравлический режим и существенно перераспределить скорости по поперечному сечению реки нецелесообразно по причине ошибочной вертикальной трассировки трубопроводов на подводных переходах и возможному оголению труб на других участках.
- Для стабилизации потока необходимо несколько уменьшить кривизну меандры и уменьшить сбойность потока исходя из трассировки трубопроводов. Для этого требуется наметить береговую линию, к которой следует привести левый берег.
- Поскольку в створе технического коридора устраивать шпоры крайне нежелательно по причине интенсификации размывов за ними, то 2-3 направляюшие шпоры целесообразно устанавить перед техническим коридором. (не ближе 12 глубин у оголовка в паводок) перед первой ниткой. Одну шпору (4-ю) можно установить непосредственно за 8-й ниткой с верху по течению реки, с одновременным укреплением дна отсыпкой щебеночного плаща (фракция 40-70 или большим диаметром до 120 мм) за оголовком шпоры, на расстояние до 10-12 глубин у оголовка вниз по течению. Последнюю шпору установить за техническим коридором (5-я шпора).
- Одновременно необходимо произвести укладку грунтозаполненных контейнеров под участками активного размыва с последующей отсыпкой гравплаща или укладкой плоских габионов с широким гребнем (не менее 10м).
- Для обеспечения транзита потока и ликвидации сбойных течений в пределах коридора следует организовать транзитный канал динамически устойчивого сечения, параметры которого должны примерно соответствовать перекрываемой части русла шпорами по расходу.
- Предлагаемые работы по трассировке канала необходимо увязывать с вертикальной трассировкой трубопроводов для предотвращения их оголения и появления размывов в канале.
- С учетом активного транспорта наносов и интенсивно протекающего руслового процесса, фарватер должен сместиться к правому берегу с частичным равномерным размывом правобережной отмели. Необходимо спрогнозировать деформации правого берега, определить расчетную расстановку шпор, с точки зрения поддержания гидравлической устойчивости русла, более точной расстановки направляющих русловыправительных сооружений до и после коридора исходя из заглубления труб, определить нагрузки на сооружения (ледовые) и определить рациональный тип применяемой конструкции шпор. Рекомендуемая толщина отсыпки плаща 0,5-0,6м.
Конструкцию шпор, удерживающих размываемые вогнутые берега от меандрирования выше и ниже перехода, можно произвести отсыпкой из крупного камня массой более 200 кг или укладкой бетонных массивов на каменно-щебеночную подготовку.
1. Teledyne RD Instruments “WINRIVER II” software user’s guide [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: http://www.teledynemarine.com/Documents/Brand%20Support/RD%20INSTRUMENTS/Technical%20Resources/Manuals%20and%20Guides/Workhorse/WinRiver%20II%20User%20Guide_Sep19.pdf svobodnyy.
2. Voxler [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.goldensoftware.com/products/voxler svobodnyy.
3. Surfer [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.goldensoftware.com/products/surfer svobodnyy.
4. Teledyne RD Instruments “WorkHorse Rio Grande” ADCP guide [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: http://www.teledynemarine.com/Documents/Brand%20Support/RD%20INSTRUMENTS/Technical%20Resources/Manuals%20and%20Guides/Workhorse/Rio%20Grande%20ADCP%20Guide_Sep13.pdf svobodnyy.
5. Pat. 2108424, ROSSIYSKAYA FEDERATSIYA. SPOSOB VYPRAVLENIYA RUSLA REKI S ZASHCHITOY YEGO OT RAZMYVA / Medvedev S.S., Shcherbakov A.O. i dr.
6. Shcherbakov A.O., Yermakov G.G. Metod pofraktsionnogo rascheta raspredeleniya nanosov v ruslovom potoke// - M.: Melioratsiya i vodnoye khozyaystvo. №5, 2014, s.65-69.
7. Shcherbakov A.O., Medvedev S.S. Razrabotka novykh sposobov regulirovaniya tverdogo i zhidkogo stoka na gidromeliorativnykh sistemakh. V sbornike: Kompleksnyye melioratsii - sredstvo povysheniya produktivnosti sel'skokhozyaystvennykh zemel' Materialy yubileynoy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Federal'noye gosudarstvennoye byudzhetnoye nauchnoye uchrezhdeniye «Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy institut gidrotekhniki i melioratsii imeni A.N.Kostyakova», 2014. S. 255-263.
8. Baramykov M.R. Dopolnitel'nyye vozmozhnosti ispol'zovaniya ADCP dlya resheniya zadach rechnoy gidravliki. Puti povysheniya effektivnosti oroshayemogo zemledeliya. 2018. № 2 (70). S. 212-217.
