Работа запруды на разветвленном участке реки

Возводимые в несудоходных рукавах речного русла запруды служат для увеличения расхода воды в судоходных рукавах. В большинстве случаев они являются сооружениями меженного регулирования. Запруды заметно перераспределяют расход воды в конце спада паводка и в межень. Под действием увеличенного расхода воды в судоходных рукавах усиливается саморазмыв гребней расположенных там перекатов и происходит их углубление.

В некоторых случаях запруды могут устраиваться и для общего развития судоходного рукава, т.е. для размыва его не только по глубине, но и по ширине.

Вместе с увеличением расходов воды перераспределяются также и твердые расходы (наносы) в пользу судоходных рукавов, что является отрицательной стороной работы запруд в потоке. Между тем, основная часть твердого стока наносов равнинных рек проходит при высоких уровнях, когда влияние запруд на поток сказывается мало. Поэтому возведение запруд меженного действия, как правило, приводит к улучшению судоходных условий, так как наиболее сильное перераспределение расходов наносов между рукавами они оказывают при низких уровнях воды, когда твердый сток в реке незначительный.

Отрицательные последствия устройства запруд из-за увеличения стока наносов в судоходном рукаве приобретают большое значение при строительстве высоких запруд весеннего регулирования. Иногда отрицательный эффект может наблюдаться и при работе запруды меженного действия, если выше разветвления русла имеется какой-либо местный источник наносов. Таким источником может быть небольшой приток, иногда овраг, выносящий много твердого материала при дождевых паводках. В таких случаях проектная схема улучшения разветвленного затруднительного участка должна основываться на тщательном изучении режима твердого стока.

Важную роль при проектировании запруды имеет выбор створа ее возведения в несудоходном рукаве (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Схемы расположения запруд в несудоходном рукаве:

1 – у приверха острова; 2 – в середине рукава; 3 – у ухвостья острова

С гидравлической точки зрения запруду целесообразно возводить в нижней части несудоходного рукава, если островной берег может быть надежной опорой для ее корня. При таком расположении запруды весь несудоходный рукав является зоной отложения наносов, так как скорости течения уменьшаются по мере приближения потока к створу запруды.

Место для проведения работ в этом случае доступно для судов со строительными материалами и для дноуглубительных снарядов, которые могут использоваться для намыва или отсыпки тела запруды из грунта и последующего крепления откосов сооружения и берегов.

Если в несудоходном рукаве возводятся две запруды, то верхнюю из них целесообразно располагать в средней части рукава. Такое расположение запруды приходится выбирать и в случае низких берегов в районе ухвостья острова, когда отсутствуют условия надежного закрепления корня запруды у острова. В этом случае сохраняется значительная емкость для отложения наносов выше запруды, но могут быть затруднения для доступа судов со строительными материалами во время возведения запруды.

Расположение запруды в верхней части несудоходного рукава менее целесообразно, так как в нем не остается емкости для отложения наносов. Кроме того, имеется опасность обхода потоком островного корня запруды через некоторое время, так как приверх острова обычно размывается течением воды и воздействием ледяных полей во время весеннего паводка.

Место проведения работ по сооружению запруды при таком ее расположении доступно для судов и дноуглубительных снарядов. Это расположение запруды обычно принимается при небольшом твердом стоке наносов и слабо размываемом приверхе острова или закреплении его откоса покрытием.

Так как запруды меженного действия имеют низкие отметки гребней, они работают преимущественно в затопленном состоянии как водослив, через который под напором происходит перелив воды из верхнего бьефа в нижний.

Рис. 10.19. Схемы перелива воды через запруду:

а – короткий лоток с горизонтальным дном; б – водослив с широким порогом

(затопленный – 1 и незатопленный – 2); в – водослив практического профиля

При переливе воды через запруду может наблюдаться три стадии движения потока: короткий лоток с горизонтальным дном (см. рис. 10.19) при весьма малых толщинах переливающегося через запруду слоя воды; водослив с широким порогом при напорах, не превосходящих половины ширины гребня запруды; водослив практического профиля при напорах более половины ширины гребня запруды.

Обычно при пропуске меженного расхода воды запруды работают в потоке в качестве незатопленных или затопленных водосливов с широким порогом. С повышением уровня и увеличением расхода воды более вероятной становится работа запруды в качестве затопленного водослива с широким порогом или водослива практического профиля, с глубинами на гребне запруды больше критических значений, определяемых по формуле

, (10.20)

где: q – удельный расход воды, приходящийся на единицу длины запруды.

Расход воды, переливающийся через запруду, оценивается по формуле водослива

, (10.21)

где: s_п – коэффициент подтопления, зависящий от напора воды и положения уровня в нижнем бьефе запруды;

т_р – коэффициент расхода, зависящий от ширины гребня и конструкции запруды;

b – ширина водослива (длина запруды);

Н₀ – полный напор воды на запруде с учетом скорости течения на подходе.

Весьма важным для работы запруды является режим сопряжения переливающегося через гребень сооружения потока с нижним бьефом. Как показали натурные наблюдения и лабораторные исследования, возможны два режима сопряжения потока с нижним бьефом: поверхностный и донный (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Режимы сопротивления бьефов запруды (схемы):

а – поверхностный; б - донный

При поверхностном режиме транзитная струя, сходящая с гребня запруды, продолжает движение в верхнем слое потока, медленно расширяясь в счет своей нижней границы. Между расширяющейся транзитной струей, низовым откосом запруды и дном образуется большая водоворотная область с обратной скоростью течения у дна. Длина водоворотной зоны составляет в среднем L_в=6P₃, где Р₃ – высота запруды. Придонные скорости течения, имеющие обратное по отношению к основному потоку направление течения, по своей абсолютной величине невелики и составляют примерно u_д=(l/4¸l/3)u_г, где u_г – скорость течения на гребне запруды. Кроме того, на участке, прилегающем к низовому откосу запруды, наблюдаются нестационарные восходящие токи - вихри с вертикальной скоростью подъема u_в=(1/50¸1/25)u_г.

Другая картина сопряжения транзитного потока с нижним бьефом наблюдается при донном режиме. В этом случае струя потока, сходящая с гребня запруды, устремляется вдоль ее низового откоса до дна нижнего бьефа, сохраняя большую скорость течения, примерно равную значению скорости потока на гребне u_д»u_г. Оказавшись на горизонтальном дне нижнего бьефа, транзитная струя начинает постепенно расширяться за счет своей верхней границы. Над транзитным потоком образуется значительная водоворотная область с обратными скоростями течения у поверхности воды.

Выявленная картина течения потока в нижнем бьефе запруды показывает, что при донном режиме сопряжения возможны существенные размывы дна, так как скорости перелива воды через запруду при больших напорах достигают значений 2.5-3.0 м/с.

Лабораторные исследования ЛИВТа показали, что на режимы сопряжения потока с нижним бьефом влияют четыре основных фактора: поперечный профиль запруды (заложение низового откоса т_н); переливающийся через запруду удельный расход воды q; уровень воды нижнего бьефа (величина подтопления h_п); фаза колебания уровня воды (спад или подъем).

На рис. 10.21 приведены графики, устанавливающие режимы сопряжения потока с нижним бьефом для различных значений заложения низового откоса сооружения т_н=2, т_н=1, т_н=0 (вертикальный откос) и для запруды с носком на низовом откосе.

Как видно из приведенных графиков, на каждом из них имеется переходная зона между областью поверхностных и донных режимов сопряжения.

Наличие такой зоны объясняется значительной массой и скоростью воды, переливающейся через гребень запруды и обладающей большой инерцией. Последнее обстоятельство приводит к тому, что поверхностный режим сопряжения по инерции сохраняется на спаде уровня воды, и переход к донному режиму сопряжения происходит несколько позже (нижние граничные кривые, см. рис. 10.21). При подъеме уровня воды донный режим сопряжения также некоторое время по инерции сохраняется, и переход к поверхностному происходит с некоторой задержкой (верхние граничные кривые, см. рис. 10.21).

Рис. 10.21. Графики для определения режима

сопряжения бьефов запруды высотой 1 м:

П – область поверхностного режима; Д – область донного режима;

h'_п – величина подтопления, отнесенная к высоте запруды

Как видно из графиков зависимости , область донных режимов сокращается с уменьшением заложения низового откоса запруды. Наименее вероятны донные режимы сопряжения у сооружений с вертикальным низовым откосом т_н=0 и имеющих на низовом откосе берму (носок).

Для обоснования устойчивости сооружения во время эксплуатации, в зависимости от режима сопряжения бьефов находится длина крепления дна ниже запруды.