Работа полузапруд в потоке

Глава X. РАБОТА ВЫПРАВИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В РЕЧНОМ ПОТОКЕ И ИХ РАСЧЕТ

Работа полузапруд в потоке

Общие сведения. Полузапруды являются основными сооружениями, закрепляющими выправительную трассу на затруднительных участках русла.

На свободных реках с высоким паводком полузапруды весной оказываются затопленными. В это время они слабо воздействуют на движение речного потока. В период спада паводка полузапруды меженного действия начинают оказывать заметное влияние на перераспределение расхода воды в пользу выправительной трассы. В этот период времени может происходить интенсивное заполнение наносами промежутков между полузапрудами.

По мере снижения уровней перераспределение расхода воды усиливается, происходит размыв дна в свободной от сооружений части русла до требуемой судоходной глубины. При низких уровнях, когда гребни полузапруд оказываются незатопленными, они работают как водостеснительные сооружения, сосредоточивающие весь расход воды в пределах выправительной трассы.

Таким образом, при проектировании полузапруд необходимо рассматривать обе фазы их работы в незатопленном и затопленном состояниях.

Работа в потоке незатопленных полузапруд.Общая схема обтекания потоком одиночной незатопленной полузапруды показана на рис. 10.1.

Из этой схемы видно, что вся область возмущения, создаваемая введением в поток поперечного примыкающего к одному из берегов сооружения, может быть условно разбита на три (I, II, III) основные части.

Рис. 10.1. Схема обтекания потоком одиночной незатопленной полузапруды:

а – план; б – положение свободной поверхности вблизи берега, к которому

примыкает сооружение (1) и в свободной части русла (2)

Часть I располагается выше створа полузапруды. Здесь происходит постепенное отклонение потока в сторону выправительной трассы. По мере приближения к полузапруде ширина потока В уменьшается, начальные скорости течения u₀ увеличиваются, а свободная поверхность воды понижается.

Однако изменение скорости течения происходит неравномерно по ширине русла. В береговой струе скорости течения даже уменьшаются. Здесь происходит замедление движения потока из-за стоящей впереди преграды (полузапруды) и создается некоторый обратный уклон свободной поверхности воды.

В некоторой точке перед полузапрудой скорость становится равной нулю, происходит отрыв потока от берега и перед полузапрудой образуется верховая водоворотная область длиной l_в с обратным направлением течения вдоль берега.

Сравнительно короткая часть II зоны возмущения располагается между створом сооружения и наиболее сжатым сечением транзитного потока, расположенным несколько ниже по течению головы полузапруды. В пределах этого участка заканчивается сжатие потока и происходит дальнейшее увеличение скоростей течения в плане и выравнивание их значений по глубине, так как здесь имеется общее ускоренное движение потока. При этом в придонных слоях увеличение скорости течения происходит на большую величину, чем у поверхности.

Самая большая по длине часть III зоны возмущения потока простирается вниз по течению от сжатого сечения и представляет собой участок постепенного расширения потока. При этом между расширяющимся потоком, низовым откосом сооружения и берегом располагается обширная низовая водоворотная область длиной L_в.

Процесс образования этой водоворотной области сводится к следующему. Пройдя створ полузапруды, транзитный поток вступает во взаимодействие с массами воды, расположенными ниже сооружения. Это взаимодействие заключается в интенсивном турбулентном обмене, вследствие которого транзитный поток вовлекает в движение примыкающие к нему массы жидкости, расположенные ниже полузапруды.

По мере развития турбулентного обмена скорости течения в транзитном потоке уменьшаются, а отметки свободной поверхности воды повышаются. В результате создается обратный уклон воды, под воздействием которого вдоль берега образуется обратное движение потока. Таким образом, вся масса жидкости, расположенная у берега ниже полузапруды, начинает циркулировать, образуя большую водоворотную область.

Условная граница между транзитным потоком, переносящим расход воды, и замкнутой водоворотной областью с циркуляционным движением жидкости называется кривой растекания потока.

Распределение осредненных скоростей течения при обтекании потоком одиночной полузапруды показано на рис. 10.2.

Рис.10.2. Распределение осредненных скоростей течения при обтекании потоком

одиночной незатопленной полузапруды в прямоугольном русле

В зоне III ввиду общего замедленного движения в транзитном потоке наблюдается уменьшение скорости течения, особенно в придонных слоях. Максимум обратной скорости u_обр течения в большой водоворотной области наблюдается вблизи берега примерно на половине ее длины и достигает значений u_обр»0.25u_с, где u_с – скорость течения в сжатом сечении транзитного потока.

По мере приближения к корневой части полузапруды обратная скорость течения вдоль берега уменьшается, кривая свободной поверхности несколько повышается, происходит отрыв потока, и образуется малая низовая водоворотная область в углу за сооружением.

Турбулентный обмен между транзитным потоком и большой водоворотной областью происходит благодаря наличию большого градиента скоростей течения, особенно на начальном участке, где возникают вихри с вертикальной осью вращения (рис. 10.3).

Рис.10.3. Схема образования вихрей с вертикальной осью вращения на участке ниже полузапруды: 1 – линия нулевых скоростей в водоворотной области; 2 – кривая растекания транзитного потока; 3 – теоретическая кривая сжатия потока

Эти вихри сносятся потоком вниз по течению, взаимодействуя с окружающей жидкостью и между собой. Вихревые образования, обладая большой энергией, распадаются (диффундируют) сравнительно медленно.

Окружные скорости вращения частиц жидкости внутри них остаются большими на значительном расстоянии. Кроме того, в центре вихрей наблюдается существенная подъемная сила. Поэтому они на своем пути оставляют серию воронкообразного размыва дна, особенно вблизи головы полузапруды.

При наличии на участке русла нескольких незатопленных полузапруд, расположенных друг за другом, картина их обтекания потоком зависит от расстояния между ними (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Схема обтекания потоком системы незатопленных полузапруд

Если расстояние между полузапрудами больше длин водоворотных областей S>L_в+l_в, то они работают в потоке независимо. Между такими сооружениями имеется участок, где транзитный поток занимает всю ширину русла (см. рис. 10.4, а).

При уменьшении расстояния между полузапрудами до значений S£L_в+l_в и несколько меньше на участке образуются общие водоворотные области, а транзитный поток не соприкасается с берегом, от которого возведены сооружения. Неравномерность ширины транзитного потока в этом случае еще сохраняется (см. рис. 10.4, б, в).

Дальнейшее сближение полузапруд до расстояний приводит к тому, что некоторое сжатие потока наблюдается лишь вблизи головы верхней полузапруды. Дальше линия раздела между транзитным потоком и водоворотными областями в межполузапрудных промежутках проходит почти параллельно берегу вдоль голов сооружений. Под S_кр здесь понимается длина отрезка, проведенного параллельно берегу, от головы полузапруды до пересечения с кривой растекания потока.

Картина обтекания потоком системы полузапруд, показанная на рис. 10.4, г, наблюдается при расстоянии между сооружениями, составляющем 1.5-2 длины полузапруды. При этом ширина транзитного потока остается практически постоянной на всем участке и скорости течения по длине и ширине русла в пределах выправительной трассы распределяются более равномерно, чем при расположении полузапруд с расстоянием .

Дальнейшее уменьшение расстояния между полузапрудами становится нерациональным из-за большого их количества, а также вследствие возможного снижения уровня воды на выправительной трассе. Указанное снижение уровня и уменьшение глубины потока особенно заметны в случае большой длины сооружений, перекрывающих 40% и более ширины естественного русла реки, и заполнения наносами межполузапрудных промежутков. При этом скорости течения возрастают настолько, что суда начинают испытывать затруднение при движении вверх по реке.

Работа в потоке затопленных полузапруд.При подъеме уровня воды выше гребня полузапруд через них начинается перелив воды. Уже в начале перелива исчезают водоворотные области, которые были в межполузапрудных пространствах при работе их в незатопленном состоянии.

Пройдя гребень сооружения, струи воды следуют далее примерно параллельно направлению основного потока, немного отклоняясь в сторону выправительной трассы. Отклонение направления течения в сторону выправительной трассы особенно ощутимо в поверхностных слоях при расположении полузапруд под углом против течения (см. рис. 10.5, а). Такие полузапруды оказывают большое сопротивление потоку.

Струи воды при этом переливаются через гребень полузапруды, как через косой водослив, примерно перпендикулярно оси сооружения. Некоторое время они сохраняют это направление течения по инерции на участке ниже створа полузапруды, а затем поверхностные струи принимают направление основного потока.

Одновременно донные струи отклоняются в сторону межполузапрудных промежутков, создавая там условия для отложения наносов.

Рис.10.5. Схема обтекания потоком затопленных полузапруд:

а – при угле наклона навстречу течению; б – при угле наклона по течению;

1 – поверхностные струи; 2 – донные струи

При переливе потока через полузапруды, расположенные под углом по течению реки, наблюдается обратная картина, т. е. некоторое отклонение направления течения поверхностных струй в сторону берега (рис. 10.5, б).

Однако наличие общего сопротивления затопленных полузапруд движению потока несколько уменьшает этот эффект отклонения поверхностных струй по сравнению со случаем, когда сооружения имеют наклон против течения. При этом наблюдается отток донных струй из межполузапрудных промежутков в сторону выправительной трассы, что свидетельствует о возможности отложения наносов в районе судового хода.

В целом скорости течения на выправительной трассе существенно больше, чем в районе расположения сооружений.

С повышением уровня воды при больших толщинах переливающегося через сооружения слоя воды поток не испытывает заметного искривления направления течения в зоне расположения полузапруд, а скорости течения мало отличаются от таковых в пределах выправительной трассы.

Это свидетельствует о том, что эффект перераспределения расхода по ширине русла при большом затоплении полузапруд почти исчезает. В этом случае имеется лишь некоторое изменение направления течения донных струй, которые по-прежнему вынуждены обходить сооружения, так же, как и при работе их в незатопленном состоянии.

Непосредственно за телом полузапруд, вдоль их низового откоса, образуются донные вальцы с горизонтальной осью вращения, которые создают винтовое движение, направленное от головы сооружения к берегу при расположении полузапруд под углом против течения и от берега к голове при их расположении под углом по течению (см. рис. 10.6).

В результате работы вальца и огибающих полузапруду донных струй около головы сооружения могут быть существенные местные размывы дна.

Рис. 10.6. Схема образования донных вальцов

при переливе воды через полузапруды при расположении их под углом:

а – навстречу потоку; б – по течению

Чтобы исследовать эффект работы полузапруд в затопленном состоянии, А.И. Лосиевским были выполнены опыты по изучению действия сооружений для защиты судового хода от транзитных наносов. Для этого наносы располагали выше полузапруд в зоне А (рис. 10.7). Изучая влияние полузапруд на углубление дна в пределах выправительной трассы, наносы располагали равномерно по всей площади зоны В непосредственно перед полузапрудами.

Рис. 10.7. Схемы расположения затопленных полузапруд

в опытах А.И. Лосиевского с использованием наносов:

а – нормально к течению; б – по течению; в – против течения

При расположении полузапруд нормально к направлению потока полного смыва наносов в пределах судового хода не было достигнуто. В межполузапрудных промежутках – зона D – отложилось лишь небольшое количество наносов.

В случае расположения полузапруд под углом по течению результаты работы сооружений в потоке оказались еще хуже, так как значительная часть наносов осталась на судовом ходу в зоне В. Межполузапрудные пространства – зона D – остались чистыми, наносы не откладывались.

Наилучшую работу показали сооружения, направленные против течения. В условиях перемещения транзитных наносов судовой ход (зона В) оказался совершенно чистым (без наносов), а в межполузапрудных промежутках (зона D) отложилось заметное количество наносов.

При этом во всех опытах отмечалось отложение наносов на нижнем участке за последней полузапрудой (зона С) и особенно большое их количество оказалось там при расположении сооружений под углом по течению, что соответствует физической картине обтекания потоком полузапруд.

Для установления некоторых количественных характеристик работы полузапруд в затопленном состоянии Ф.М. Чернышевым и В.М. Селезневым были проведены обширные экспериментальные исследования в лотках прямоугольного и трапецеидального поперечных сечений.

На рис. 10.8 приведена схема перераспределения расхода воды по ширине русла под воздействием полузапруд.

Рис. 10.8. Схема к перераспределению расхода по ширине русла

при работе полузапруд в затопленном состоянии:

а – при наличии сооружений; б – в бытовом состоянии

Основным показателем, характеризующим работу затопленных полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла, является отношение расходов воды в пределах выправительной трассы при наличии полузапруд Q_св и при их отсутствии (в бытовом состоянии русла) в пределах той же ширины выправительной трассы Q_св.б

. (10.1)

Параметром, характеризующим степень затопления полузапруды, является отношение площади переливающегося через ее гребень слоя воды w_сл к части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой w_п

. (10.2)

Степень стеснения потока полузапрудой характеризуется отношением части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой w_п, к полной площади поперечного сечения потока при уровне, совпадающем с отметкой гребня сооружения w_г

. (10.3)

Параметром, характеризующим уменьшение расхода воды в зоне застройки сооружений, является отношение расходов вне выправительной трассы в бытовом состоянии Q_пер.б и переливающегося через полузапруды в проектном состоянии Q_пер (после их возведения)

. (10.4)

Проведенные лабораторные исследования позволили установить количественные связи перечисленных параметров, характеризующих работу полузапруд в затопленном состоянии.

На рис. 10.9 приведен график зависимости параметра К_св от степени затопления полузапруд К_сл, степени стеснения потока т и расстояния между полузапрудами S. Этот график показывает, что с увеличением величины К_сл значение К_св резко уменьшается. При К_сл=3.0 практически К_св=1.0, т.е. при трехкратном затоплении полузапруды уже не перераспределяют расход по ширине русла.

Рис. 10.9. График зависимости К_св=f(К_сл, т, S) по результатам исследования ЛИИВТа

Полученные кривые зависимости К_св=f(К_сл) могут служить некоторым критерием для определения момента начала работы полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла и для установления размера перераспределения расхода К_св при известной относительной толщине переливающегося через полузапруду слоя воды К_сл.

Например, при ощутимой величине начального перераспределения расхода в пользу выправительной трассы К_св=1.1 из графика следует, что заметная работа в потоке полузапруд меженного действия начинается для степеней стеснения т=0.2¸0.4 при значении К_сл=1.0¸1.5, а для т=0.6 при К_сл=2.5¸3.0. При этом нижние значения К_сл отвечают случаю работы одиночной полузапруды, а верхние – работе системы полузапруд.

Соотношения между величинами К_св и К_сл, полученные при исследовании в лотке трапецеидального сечения, мало отличаются от таковых, полученных в лотке прямоугольного поперечного сечения.

Выполненные в ЛИВТе лабораторные исследования позволили установить, что основное влияние на поток оказывает первое (головное) сооружение. Остальные сооружения, в основном, поддерживают перераспределение расхода, достигнутое первой полузапрудой, и лишь немного усиливают его, особенно при больших степенях стеснения потока. Отсюда, в частности, следует, что последующие полузапруды можно возводить облегченной конструкции по сравнению с головным сооружением. Этот вывод подтверждается опытом выправительных работ.

Другой важный вывод из приведенных лабораторных исследований заключается в том, что расстояние между полузапрудами сравнительно слабо влияет на перераспределение расхода по ширине русла. Гораздо больший эффект в отношении перераспределения расхода воды между выправительной трассой и перекрытой сооружениями частью русла оказывает высота полузапруд.

Одновременно опыты показали, что на прямолинейных участках русла полузапруды можно располагать на расстоянии друг от друга порядка (2¸3)l_п, где l_п – длина полузапруды.

Опыты не выявили заметного влияния расположения полузапруд относительно направления течения на перераспределение расхода по ширине русла. Как уже указывалось выше, от угла наклона полузапруд к потоку зависит расслоение потока. Различие между направлением поверхностных и донных струй возрастает с уменьшением угла наклона оси сооружения к направлению течения и толщины переливающегося через гребень полузапруды слоя воды. При этом заметное расслоение наблюдается при угле наклона полузапруды к потоку a£60°.

Расчет полузапруд

Определение длины полузапруды.При проектировании полузапруд определяют следующие их размеры и элементы: длину, высоту, продольный уклон гребня, расстояние между полузапрудами, угол наклона их осей к направлению течения, ширину гребня, заложение откосов, длину прикорневого крепления берега, длину крепления дна перед верхним откосом, за нижним откосом и в районе головы сооружения и некоторые другие конструктивные элементы.

Обычно расчетом определяются основные размеры полузапруд – длина, высота и расстояние между ними. Иногда также рассчитывается крупность материала, из которого возводится тело сооружения и укрепление берега и дна. Остальные элементы полузапруд назначаются по данным практики и подлежат дальнейшему уточнению.

При известной ширине выправительной трассы В_т, одна кромка которой опирается на ведущий берег, бытовой ширине русла В_б и угле наклона полузапруды к направлению течения a£90° (см. рис. 10.10) длина полузапруды равна

. (10.5)

Рис. 10.10. Схема к определению длины полузапруды

В случае двустороннего расположения полузапруд бытовая ширина русла В_б уменьшается на часть ширины русла, занятую сооружениями у противоположного берега. Следует при этом иметь в виду, что при двустороннем возведении полузапруд их располагают преимущественно в шахматном порядке по длине участка реки.

В практике выправительных работ на судоходных реках ширина русла, перекрытая полузапрудами, обычно составляет (0.3¸0.5)B_б при проектном уровне, а на малых реках эта ширина доходит до (0.5¸0.6)В_б.

Определение высоты полузапруды.Для определения высоты полузапруды по способу ЛИВТа необходимо выполнить следующие построения и расчеты.

1. Установить значения расчетного расхода воды Q_p и расчетного уровня Н_р, при которых полузапруды начинают оказывать заметное (начальное) перераспределение расхода в пользу выправительной трассы. Для полузапруд меженного действия за расчетный расход обычно принимают значение руслоформирующего расхода воды, соответствующего нижнему максимуму на графике Q²pl=f(Q). При этом часто расчетный уровень, найденный по кривой расходов воды, оказывается на 1.5-2.0 м выше среднего меженного уровня. При этом уровне воды речной поток обладает достаточной транспортирующей способностью, необходимой для начала размыва гребня переката в районе судового хода.

2. Нанести на план затруднительного участка выправительную трассу и предварительное расположение полузапруд, вычертить поперечные сечения в створах полузапруд до расчетного уровня. Далее расчеты выполняют отдельно для каждой полузапруды.

3. Построить интегральную кривую распределения расхода воды при расчетном уровне и определить расход воды Q_св.б, проходящий в пределах выправительной трассы в бытовом состоянии русла, а также площадь w_св этой части поперечного сечения (см. рис. 10.11).

Рис. 10.11. Расчетный поперечный профиль русла и интегральная кривая

расхода в створе полузапруды

4. Подсчитать потребный расход воды в пределах выправительной трассы Q_св, который может обеспечить необходимый размыв дна в пределах судового хода, причем

, (10.6)

где: u_p – потребная для размыва дна расчетная скорость в пределах выправительной трассы.

При этом расчетная скорость равна

. (10.7)

Здесь размывающая скорость u_разм=1,Зu_нр, а неразмывающая скорость по В.Н. Гончарову равна u_нр=3.0(Td_c/d₉₀)^0.2´(d_c+0.0014)^0.3, м/с, где: Т – глубина потока на судовом ходу при расчетном уровне воды; d_c и d₉₀ – диаметры частиц дна, обеспеченные соответственно на 50 и 90% по кривой гранулометрического состава.

Коэффициент запаса К_зап=1.2¸1.4, который учитывает возможность образования самоотмостки дна, возникающей в результате смыва потоком относительно более мелких частиц d£d_c и сосредоточения на дне потока более крупных частиц d>d_c. Отсутствие такого запаса может приостановить размыв дна, и расчетного углубления переката не произойдет.

5. Вычислить основной показатель работы затопленной полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла по формуле (10.1).

6. Вычислить величины:

w_п – часть площади поперечного сечения, перекрываемую полузапрудой;

w_сл – часть площади поперечного сечения, расположенную над гребнем полузапруды до расчетного уровня воды;

w_г – полную площадь поперечного сечения при уровне вровень с гребнем полузапруды.

При этом задаются тремя отметками гребня полузапруды z_г между проектным и расчетным уровнями воды. Гребень полузапруды принимается горизонтальным.

По найденным значениям площадей подсчитывают коэффициенты, характеризующие степень затопления полузапруды и степень стеснения потока по формулам (10.2) и (10.3).

7. Построить на основе выполненных расчетов кривые зависимости К_сл=f₁(z_г), m=f₂(z_г), К_сл=f₃(m), на одном графике (рис. 10.12). На этот график наносят опытную прямую К_сл=f₄(m, К_св), соответствующую потребному значению параметра К_св, подсчитанному в пункте 5 расчета.

Рис. 10.12. Графическое определение отметки гребня полузапруды

Рис. 10.13. Экспериментальный график зависимости Ксл=f(m, Ксв) при расстоянии между полузапрудами S=3lп (штриховые линии) и S=1,5lп и менее (сплошные линии)

Координаты опытных прямых К_сл=f₄(m, К_св) берут с графиков, построенных на основании экспериментов в ЛИВТе (рис. 10.13). При этом для расчета одиночной полузапруды следует пользоваться графиком К_сл=f₄(m, К_св) при S=3l_п, а в случае системы полузапруд – графиком К_сл=f₄(m, К_св) при S=3l_п или при S=1,5l_п в зависимости от схемы расположения полузапруд на затруднительном участке.

Пересечение кривой К_сл=f₃(m) и прямой К_сл=f₄(m, К_св) определяет искомую расчетную отметку гребня полузапруды z_p и соответствующие ей значения К_сл и т.

Изложенный выше способ расчета высоты полузапруды предполагает их расположение под углом 90° к направлению течения или с небольшим отклонением на 10-15° от перпендикулярного положения.

При большом отклонении от 90° угла наклона полузапруды к течению расчет высоты сооружения можно выполнить по способу НИИВТа в следующей последовательности.

1. Установить значения расчетного расхода воды Q_p и расчетного уровня Н_р, при которых полузапруды начинают оказывать заметное перераспределение расхода в пользу выправительной трассы (аналогично первому способу).

2. Нанести на план затруднительного участка выправительную трассу и предварительное расположение полузапруд, вычертить поперечные сечения в створах полузапруд до расчетного уровня (аналогично первому способу) и определить часть площади поперечного сечения в пределах выправительной трассы w_св (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Поперечный профиль русла в створе полузапруды для определения отметки гребня по способу НИИВТа

Рис. 10.15. Опытный график зависимости h=f(A, a)

3. Подсчитать потребный для размыва гребня переката расход воды в пределах выправительной трассы по формуле (10.6) и установить часть расхода воды, переливающегося через гребень полузапруды:

и . (10.8)

4. Найти по известным величинам h и a с экспериментального графика (рис. 10.15) необходимое значение отношения площадей

, (10.9)

где: w=w_св+w_п+w_сл – полная площадь поперечного сечения при расчетном уровне.

5. Подсчитать проекцию на живое сечение площади потока, переливающегося через гребень полузапруды, как через косой водослив

. (10.10)

6. Вычислить расчетную отметку гребня полузапруды по выражению

, (10.11)

где: l_п – проекция длины полузапруды на живое сечение, которая определяется, как

доля перекрытой сооружением части русла (при пологом береговом откосе l_п»0,8В_пер).

В результате расчетов может оказаться, что полученные отметки гребней полузапруд на участке оказались близкими друг к другу. В этом случае находят их среднее значение, которое принимают в качестве окончательной отметки гребня для всех полузапруд.

Иногда полученные расчетом отметки гребней полузапруд существенно (более чем на 10%) отличаются друг от друга. Тогда эти отметки принимают за окончательные для соответствующих полузапруд. Часто отметки гребней полузапруд, расположенных на подходах к гребню переката, оказываются по расчету ниже, чем отметки полузапруд, находящихся на гребне переката. Такое положение отметок меженных полузапруд является целесообразным, так как в начале затруднительного участка по мере приближения к гребню переката последующие, более высокие полузапруды усиливают работу в потоке предыдущих сооружений, обеспечивая размыв дна в пределах судового хода.

В конце затруднительного участка воздействие полузапруд на поток должно постепенно ослабляться за счет уменьшения отметок гребней расположенных там полузапруд, что обеспечивает удобный переход потока к нижней плёсовой лощине. Таким образом, после возведения полузапруд как бы создается искусственный побочень с повышенными отметками в его средней части, что благоприятно сказывается на улучшении судоходных условий затруднительного участка.

Обычно гребень полузапруды конструктивно делается с продольным уклоном порядка 1/100-1/300, оставляя расчетную отметку гребня неизменной в ее средней части. Часто отметки гребня низких полузапруд меженного действия получаются выше проектного уровня на 1.5-2.0 м.

Проверка полученной расчетом отметки гребня полузапруды на пропуск весеннего ледохода выполняется по выражению

, (10.12)

где: z_нл – отметка низкого уровня весеннего ледохода 90%-ной обеспеченности;

t_л – толщина льда.

В случае нецелесообразности возведения полузапруд до расчетной отметки по условиям пропуска ледохода приходится уменьшать их высоту. При этом для компенсации понижения высоты полузапруды можно увеличить длину сооружения или уменьшить расстояние между полузапрудами, чтобы обеспечить на перекате размывающие скорости течения, достаточные для размыва его дна в районе судового хода до проектной отметки.

Если целесообразно сохранить полученную расчетом высоту полузапруды, несмотря на низкие уровни ледохода, то необходимо укрепить гребень, речной откос и голову сооружения от воздействия ледяных полей или обеспечить своевременный ремонт поврежденных во время ледохода частей полузапруды.

При определении расстояния между полузапрудами различают две стадии их работы в незатопленном и затопленном состоянии.

В случае работы полузапруд преимущественно в незатопленном состоянии расстояние между ними определяют по кривой растекания потока в зависимости от назначения сооружений.

Для полузапруд, которые предназначены направить поток на углубление дна в пределах судового хода, расстояние между ними принимается равным так называемому критическому расстоянию. При этом кривая растекания транзитного потока не заходит в межполузапрудные промежутки, а только касается голов, расположенных ниже по течению полузапруд.

Для построения кривых растекания потока за незатопленной полузапрудой можно пользоваться приближенными формулами И.М. Коновалова или путем построения скоростных полей с использованием его теории турбулентных струй.

Когда отсутствуют данные для подробных расчетов, критическое расстояние можно определить по зависимости

, (10.13)

где: m – коэффициент, зависящий от степени стеснения потока полузапрудами, значения которого для случая расположения сооружений на прямолинейном участке приведены ниже;

l_п – проекция длины полузапруды на плоскость живого сечения.

Степени стеснения потока 0.1; 0.2; 0.25; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6 соответствуют следующие значения коэффициента m: 10.5; 6.3; 5.0; 4.2; 2.9; 2.0; 1.4.

При расположении полузапруд на криволинейных участках критическое расстояние находится по формуле В.В. Дегтярева

. (10.14)

Если полузапруды возводятся от выпуклого берега, параметры x и q подсчитывают по таким формулам:

, (10.15)

, (10.16)

где: r₀ – радиус кривизны выпуклого берега.

В том случае, когда полузапруды расположены у вогнутого берега, параметры x и q определяют по таким формулам:

, (10.17)

. (10.18)

В случае работы полузапруд в затопленном состоянии расстояние между ними приближенно определяется по выражению А. И. Победоносцева

, (10.19)

где: h_п – высота полузапруды;

С_пер – коэффициент Шези для части русла, где предполагается возведение

полузапруд;

x_с – коэффициент сопротивления полузапруды движению потока;

К_пер – коэффициент уменьшения расхода воды в зоне застройки полузапруд.

На рис. 10.16 приведен график зависимости коэффициента x_с для двух значений углов наклона напорного откоса полузапруды с b= 45° и 90°.

Рис. 10.16. График зависимости

График зависимости коэффициента К_пер приведен на рис. 10.17 для трех значений степени стеснения потока т=0.2, 0.4 и 0.6.

Рис. 10.17. График зависимости К_пер=f(K_сл, т)

Практика возведения полузапруд меженного действия показала, что положительные результаты выправления русла наблюдаются при расположении сооружений на расстоянии: на прямолинейных участках S=(2¸3)l_п, у выпуклых берегов S=(3¸4)l_п, а у вогнутых S=(1¸2)l_п. Эти данные практики обычно используют при первоначальном расположении полузапруд на затруднительном участке, а затем после расчета высоты полузапруды расстояние между ними уточняется расчетом.