О коэффициенте шероховатости крупных каналов

    В декабре 1987 года по проекту Совинтервода (Союзгипроводхоза) и при техническом содействии СССР завершено строительство канала Тартар-Тигр и тем самым всего гидротехнического комплекса Тартар, задачей которого является защита от наводнения г. Багдада и  сельскохозяйственных земель в пойме реки Тигр, а также рассоление озера Тартар (полный объем 84,0 км³) с целью использования его не только как противопаводкового,   но и ирригационного водохранилища многолетнего регулирования, повышающего водообеспеченность нижних течений рек Тигр и Евфрат.

    Строительство канала Тартар-Евфрат пропускной способностью 1100 м³/с закончено в декабре 1976 года.

    В 1977 году было начато строительство канала Тартар-Тигр пропускной способностью 600 м³/с. Для забора воды в канал на 28 км канала Тартар-Евфрат устроен вододелитель, состоящий из перегораживающего сооружения и на канале Тартар-Евфрат и водозаборного сооружения в канал Тартар-Тигр.

    Водозаборное сооружение имеет 4 пролета по 8 м. Отверстия перекрываются сегментными затворами высотой 7,2 м.

    Канал Тартар-Тигр имеет полную длину 65 км. По трассе канала в основном залегают четвертичные отложения, представленные глинами, суглинками, пылеватыми песками с прослоями и линзами гравия, гальки , супесей, глин.

    На первых шести километрах живое сечение канала проходит в неогеновых отложениях, состоящих из глин твердой консистенции и слабосцементированных песчаников.

    Сразу после пуска в эксплуатацию было начато натурное исследование коэффициента шероховатости канала на участке от 0 до 28 км. 

    По гидравлическим характеристикам участок наблюдения делится на 2 участка: первый участок от водозаборного сооружения до пикета 80 имеет ширину по дну 60 м, уклон дна – 0,00005 и заложение откосов 1:2,0.

    Нормальная расчетная глубина для расхода 600 м³/с – 7,75 м., максимальная скорость течения 1,03 м/с. Между первым и вторым участками имеется переходной участок длиной 200 м.

    Второй участок канала от 8 до 28,0 км отличается от первого уклоном дна, равным 0,00004, заложением откосов1:3,0 и нормальной глубиной, при расходе 600 м³/с, равной 7,9 м.

    В конце исследуемого участка на 28 км канала по проекту устроен четырехпролётный перепад в виде железобетонной водосливной плотины практического профиля с горизонтальной вставкой, Сегментные затворы на перепаде приняты такие же, как на водозаборе.

    Пропускная способность перепада была изучена в лаборатории МГУП (МГМИ) д.т.н. И.С. Румянцевым при полностью и частично открытых затворах.

    При расчете коэффициента шероховатости расход канала определялся по четырехпролётному перепадному сооружению использованному в качестве водомерного устройства при полностью открытых затворах. Детального дополнительного тарирования перепада вертушкой не производилось, но сравнение трех контрольных расходов показало совпадение результатов в пределах ±5%.

    Строительство канала продолжалось с 1977 по январь 1988 года. К моменту пуска канала в эксплуатацию на участке от 0 до 28 км дно и откосы канала были обнажены и подвергались действию природных факторов в течение 8-10 лет.

    Примерно на половине длины дно было затоплено на глубину 0,2-0,5 м, на остальной части, где величина притока грунтовых вод и осадков не превышала величину испарения, дно оставалось сухим или увлажненным большую часть года.

    В создавшемся благоприятном водовоздушном режиме почвы бурно развилась растительность (камыш). На дне высота камыша колебалась от 1,2 до 2,0 м, толщина 4-8 мм, густота 200-400 штук на 1 м². На откосах высота камыша составляла 2-2,5 м, толщина 8 мм, до глубины 3,0 м. Остальная часть откосов, до бермы, покрыта колючкой  высотой 5-25 см, в среднем 4 куста на 1 м².

    В виду отсутствия механизмов для удаления растительности и директивном сроке пуска канала в эксплуатацию, было принято решение не удалять растительность. Предполагалось, что растительность, короткий срок,  будет размыта потоком. Дальнейшее развитие событий подтвердило это предположение и позволило произвести исследование влияния растительности на коэффициент шероховатости.

    Расчет коэффициента шероховатости производился по формуле Маннинга, при замеренных отметках уровней нижнего бьефа водозабора и верхнего бьефа перепада, по среднему гидравлическому уклону и средним гидравлическим характеристикам сечения.

    При первом пропуске по каналу расхода 40 м³/с 21.02.88 г коэффициент шероховатости равнялся 0,0842, а при расходе 36,5 м³/с – 0,0998. При расходе 101,6 м³/с величина коэффициента шероховатости снизилась до 0,0637.

    Все это время, при затоплении глубиной 3-4 м и под действием скорости течения происходило интенсивное отмирание камыша, проявившееся в виде большого количества плавающих стеблей.

    В связи с начавшимся паводком на р. Тигр 13.03.88 г сброс по каналу Тартар-Тигр был прекращен и возобновлен 26.06.88 г.

    Изменение средних гидравлических характеристик и коэффициента шероховатости при изменении расхода приведено в таблице 1.

табл. 1

    Анализ результатов наблюдений показывает, что, с течением короткого промежутка  времени, происходит уменьшение осредненного коэффициента шероховатости канала за счет отмирания камыша в нижней части сечения канала, а при увеличении расхода за счет влияния верхней откосной части сечения с меньшим сопротивлением (без камыша). Минимальный коэффициент шероховатости 0,033 приблизился к проектному коэффициенту, равному 0,0225.

    При этом расчетный расход канала возможно пропустить за счет небольшой форсировки уровня, на высоту 0,15-0,2 м) над нормальным проектным уровнем.

    В марте 1988 г, при расходе канала 900 м³/с, произведены замеры уровней на участке канала Тартар-Евфрат от 1.26 км до 27,62 км, проходящего в неогеновых глинистых отложениях, имеющего ширину по дну 37,0 м, заложение откосов 1:1 и гидравлический радиус R=7,3 м, что предоставило возможность проверить принятый в проекте коэффициент шероховатости (0,0225). Средняя скорость потока составила 1,86 м/с, не превышает допускаемую не размывающую скорость грунтов ложа.

    Расчеты показали, что действительный коэффициент шероховатости канала, после 12 лет эксплуатации, составляет 0,026, что не подтверждает существующее мнение об уменьшении коэффициента шероховатости с увеличением гидравлического радиуса.

        Выводы:

    1.На длинных и крупных вновь построенных земляных каналах, в русле которых за период строительства развивается мощный растительный покров, вполне целесообразным, с целью экономии средств на удаление растительности, является оставление растительности в русле канала с учетом дальнейшего постепенного ее отмирания в процессе эксплуатации.

    2. В проектах крупных земляных каналов принятие коэффициентов шероховатости менее 0,025 требует специального обоснования.

    Суровцев-Бутов В.П.,

    в 1965-2004 г.г.  инженер, ГИП , начальник отдела ЗАО ПО Совинтервод (Союзгипроводхоз), в 2004-2019 г.г.  государственный эксперт, зам. начальника отдела      ФАУ "ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ"