Аналитика



5.3. управление русловыми процессами

5.3. УПРАВЛЕНИЕ РУСЛОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Управление русловыми процессами — это переформирование дна водоема с использованием энергии потока, направленного на поддержание толщины слоя грунта над трубопроводом, достаточного для обеспечения защиты его в соответствии с требованиями строительных норм и правил. Движение наносов по дну реки происходит под действием гидродинамического давления, возникающего при обтекании их потоком. При этом масса влекомых потоком частиц пропорциональна шестой степени значения скорости течения. Если скорость течения изменится в 2 раза, то масса влекомой частицы изменится в 64 раза. Этим объясняется высокая чувствительность донных наносов к малейшим изменениям скорости течения у подводных трубопроводов.

Пользуясь эмпирической зависимостью d = 7,3    +    0,43,

где d — диаметр частиц грунта дна; vcp — средняя скорость течения, можно определить крупность частиц грунта на дне.

Наличие крупных частиц грунта свидетельствует о размыве дна водоема, мелких илистых частиц — об отложении наносов, т.е. об отсутствии размыва дна.

Если в процессе эксплуатации подводного перехода появляются зоны размыва дна, то проводят гидрологические исследования руслового процесса на участке пересечения водотока и разрабатывают проект по стабилизации дна водоема.

Для этого устраивают различного рода сквозные заили-тельные сооружения, полузапруды, дамбы, шпоры и т.п.

Метод управления русловым процессом с помощью гибких решеток основан на установке их перпендикулярно к течению реки или под углом к нему с таким расчетом, чтобы наносы в основном откладывались перед и в створе трубопровода. От сноса течением перегородки удерживаются сваями, забиваемыми в дно на определенную глубину (рис. 8, а, а). В случае размыва они могут опускаться на дно вдоль свай под действием собственной массы.

Для погружения трубчатых свай, диаметр которых превышает 0,5 м, можно использовать внутреннюю подмывную трубу. Расход воды принимают равным 40 — 50 м3/ч при давлении струи на выходе 0,4 — 2 МПа. Для удаления связных грунтов из полости трубчатых свай можно применять многосопловые гидромониторные рыхлители при одновременном проведении эжектирования. Выбор способа погружения свай зависит от вида оборудования и места погружения (со льда, с плавсредства, с отсыпанного островка).

Глубину забивки свай определяют расчетом на опрокидывание и прочность при действии лобового давления потока на плоскость перегородки. Длину сваи Н рассчитывают по формуле Н = Hj + Нр + Н3, где Hj — средняя глубина потока до установки решеток, Нр — глубина размыва дна в створе решетки; Н3 — глубина забивки сваи.

Глубина размыва дна в створе решетки Нр = l,75Z/dcp, где Z — перепад уровня потока ниже сооружения; — средняя крупность донных отложений.

Перепад уровня потока определяют из выражения

Z = К3л/Р33у2 /2д

где К — коэффициент, зависящий от формы планок (для круглых К = 4—10); Р3 — коэффициент застройки решетки 3 = F/F = b/(s + b); здесь Fj — площадь, занимаемая планками; F — площадь "живого" сечения потока, перекрываемого всем сооружением; b — диаметр или ширина планки; s — зазор между планками); v — средняя скорость потока до установки решеток.

Зону влияния каждой решетки на поток (начиная с первой) или расстояние между решетками находят из выражения Z = 6LP3ctga, где L — длина решетки; a — угол между направлением потока и касательной к берегу.

Для повышения эффективности решетки-заилит ели постепенно выдвигают в русло реки (рис. 8, а, г). Первая решетка должна быть короткой и иметь меньшую застройку:

где m — заложение откоса грунта, слагающего русло.

Коэффициент застройки первой решетки принимают равным 0,25. Длину последующих решеток рассчитывают по формуле

оннэяхохэя

— y.    i i^i j.hIiibe


15't; 11 < j t; i/sj iaiAo


<i Aj.i i <>.>t


ojoaoQOir ^п*ио ojatnCT^>i0iLgo *¦ t? .>i o^i^o 11

--/    t    ЖЭН’ЭЛ^ИЛ'Ж

1чхи11те




: ifisao

^ГМЭХЭ ЕГ'вНХ

11 эмл^клэшэс! — r?

1Ч1Л10ХЭ    ‘ЭИ^Т



^(Зонло вн из —    4    '    -    t;:>iол^охл:

15' и ii и к^]Д[0^ж^с1дооя — р f АгТоттттт

g* f b'oaodiiOQAdi, — ^ ini il/' я;1ГифосЗы — — и i и о ^i и (i _> I и о.ьА 11 л о я ен    хо


14 Iz' оя и

_y\s\_    -    i    od    ;>q    oaoi\[0^ai4iM!cJoii

— <9> t(ecIo11 111)    t?.>i ла)mod

Bjadog 1чхи11ше и ;> iraxBeeMOii

тзрчпэхо ii't? 11 л,;) i »oed — p i и^1 иил:(1энс *4 м iii?sioci mrXjad тстг^г


еЛб^-а -<xd u*is ^2=7

~7 ?7*0-^'O

^OSOO ^“2

&

Z7& f*7PV?? net zy/-/tj?*


Z7


где Ln_j — длина предыдущей решетки; С3 — коэффициент запаса (С3 = vmm/(vn(l — Р3)); здесь vmin — скорость заиливания потока для определенной категории грунта (табл. 5), vn — скорость потока ниже предыдущей решетки).

Скорость потока снижается после каждого ряда решеток. Ниже створа первой решетки ее определяют из выражения

v, = Q(1 - Р3) / F = v(1 — Р3);

за последующими решетками — из выражения

vn = (vn-i +vC3P3)(l - Р3),

где Q — расход потока на перекрываемой площади; vt... vn — средняя скорость потока за l...n-й решетками.

При выборе длины решеток вдоль каждого створа и их числа учитывают очертания берега, границы общей линии

Таблица 5

Скорости (в м/с), при которых происходит осаждение наносов различной крупности

Крупность взвешенных наносов, мм

Средняя

глубина

водоема,

м

Массовая доля частиц, %

0,1

0,5

1

2,5

5

7,5

10

0,25-0,5

0,3

0,22

0,28

0,32

0,39

0,45

0,49

0,52

(25 %),

0,6

0,28

0,37

0,43

0,52

0,60

0,66

0,70

0,05-0,005

1,0

0,34

0,45

0,52

0,64

0,75

0,82

0,87

(75 %)

1,5

0,39

0,54

0,62

0,76

0,89

0,97

1,04

2,0

0,44

0,60

0,70

0,86

1,01

1,10

1,18

2,5

0,48

0,66

0,77

0,94

1,11

1,22

1,30

3,0

0,51

0,71

0,83

1,02

1,20

1,32

1,41

0,25-0,5

0,3

0,28

0,37

0,42

0,50

0,58

0,64

0,63

(25 %),

0,6

0,36

0,48

0,55

0,67

0,78

0,85

0,91

0,05-0,005

1,0

0,43

0,59

0,68

0,83

0,97

1,06

1,13

(75 %)

1,5

0,51

0,69

0,80

0,98

1,15

1,26

1,35

2,0

0,57

0,78

0,91

1,11

1,31

1,43

1,53

2,5

0,61

0,86

0,99

1,22

1,44

1,57

1,69

3,0

0,66

0,92

1,07

1,32

1,55

1,70

1,82

1,0-0,25

0,3

0,39

0,51

0,58

0,70

0,81

0,88

0,94

(25 %),

0,6

0,50

0,67

0,76

0,93

1,08

1,18

1,26

0,25-0,05

1,0

0,60

0,82

0,94

1,15

1,34

1,47

1,57

(75 %)

1,5

0,70

0,96

1,11

1,36

1,59

1,75

1,87

2,0

0,78

1,08

1,26

1,54

1,80

1,98

2,12

3,0

0,92

1,28

1,49

1,83

2,15

2,36

2,53

1,0-0,25

0,3

0,57

0,73

0,84

1,00

1,16

1,27

1,35

(25 %),

0,6

0,72

0,96

1,10

1,34

1,56

1,70

1,82

0,25-0,05

1,0

0,87

1,16

1,36

1,66

1,93

2,12

2,27

(75 %)

2,0

1,13

1,55

1,81

2,22

2,60

2,86

3,06

2,5

1,23

1,71

1,99

2,44

2,87

3,15

3,37

3,0

1,32

1,85

2,15

2,64

3,20

3,41

3,65

защиты, степень размыва участка трубопровода, заданный режим потока.

Коэффициент застройки Р3 зависит от зазора между планками s. Заиление наблюдается при Р3 < 0,67. При Р3 > 0,67 сквозные решетки работают как сплошные.

Следует заметить, что свайные опоры недостаточно эффективны. Так, при глубине водоема 2,5 м и диаметре свай 0,5 м удельная удерживающая сила составляет 7 кН. Кроме того, забивка их в дно связана с применением плавучих копров, использование которых из-за небольших объемов сваебойных работ нерентабельно.

Усилие 7 — 10 кН может быть воспринято якорями-присо-сами, которые изготовляют из железобетонных блоков в форме четырехгранной усеченной пирамиды (рис. 9).

Удерживающая сила железобетонного якоря-присоса может быть вычислена по формуле

j _ 0,5В[0Я(1 + Кп) + h3pXn + h^nCc(>, + 1)] я    (Ия cosa6 + 0,5В sina6),

где В — длина стороны основания якоря; 0Я — масса якоря в воде, составляющая 60 % массы его на воздухе; Кп — коэффициент присоса (для песков и илов Кп = 0,15—0,20, для глин — 0,25—0,45; h3 — заглубление якоря в грунт (для глинистых грунтов h3 = Ия/2, для илистых — h3 = Ия; р — плотность грунта; X — коэффициент пассивного давления грунта; Сс — сила сцепления; аб — угол наклона бриделя к горизонту; п — коэффициент, учитывающий повышение отпора грунта за счет расширения призмы выпора в стороны:

п = (В + hstg(45° - у/2) р)/В;

¦у — угол внутреннего трения грунта.

Массу железобетонного якоря-присоса С}я можно подсчитать после определения горизонтального усилия, действующего на плавсредства, по формуле 0Я = Тгя, где Тг — расчетное горизонтальное усилие, действующее на плавсредство; Кя — удельная удерживающая сила якоря.

Для пирамидально-призматического якоря-присос а удельная удерживающая сила равна 5 — 7 (песчаный грунт), 6 — 9 (илистый грунт), 7 — 10 кН (глинистый грунт), а для пирамидального якоря-присоса с коэффициентом распластанности (т.е. отношением высоты якоря к длине его основания) 0,2 —

б

Яя,кН

а



5


W/AA

?

^-;-

-

Ni

60


45


75


в

Рис. 9. Якорь-присос:


Лд.КН


хб



а — конструкция бетонного пирамидально-призматического якоря; 6 — график зависимости удельной удерживающей силы якоря для глинистых грунтов от направления приложения пригрузки; в — график влияния времени лежания якоря на грунте на удельную удерживающую силу

0,3 — соответственно 10—12, 12—13, 12—14 кН. Причем для плотных грунтов принимают нижние пределы удельной удерживающей силы, а для рыхлых — верхние. При установке якоря в котловане и последующей засыпке эти значения могут быть увеличены в 1,5 — 2 раза.

В качестве защитных сооружений против размыва русел водотоков можно использовать струенаправляющие дамбы, по-лузапруды, шпоры, берегоукрепительные сооружения. Длина фронта защитных работ выше и ниже створа перехода определяется по данным прогноза русловых и береговых деформаций. На горных реках эффективным средством против таких деформаций является устройство шпор, длина которых зависит от типа руслового процесса. На небольших горных реках устраивают шпоры длиной 6—15 м, на более крупных — 100 — 150 м. Для уменьшения местных размывов и отклонения стрежня реки от головы шпор последние размещают к течению русла под углом не более 60 — 75°. Основные показатели регулирования русла с помощью шпор можно рассчитывать, используя методы, которые применяют для расчета решетчатых конструкций. Расстояние между шпорами вдоль берега определяют по следующей формуле:

76

где lp — рабочая длина шпоры; a — угол между шпорой и касательной к берегу; |3 — угол растекания потока на участке между шпорами при параллельном движении струй (рис. 8, а).

Рабочую длину шпоры, а также длину первой и последней шпор принимают равными 2/3 I. Если фактическая длина шпор 1ф > 1,51, то примыкающая к берегу часть шпоры длиной Д1 = 1р — 1,51ф считается нерабочей. В этом случае шпора, примыкаемая к берегу, не закрепляется. При 1ф > 1,51р корень шпоры заделывается в берег с обязательным креплением напорного откоса шпоры и даже берега на участке 0,2 —0,3 м (рис. 8, а).

Для предупреждения разрушения шпор, возникающего при увеличении скорости потока, необходимо учитывать фактическую и предельно допустимую скорости потока в русле.

5.4. подсадка подводных трубопроводов  »
Библиотека »