Инженерные консультации
VetCAD

О коэффициенте шероховатости крупных каналов

   0 оценок

размещено: 03 Июля 2022
обновлено: 03 Июля 2022

    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

Рас-ход

Q м3

Уклон

водной

поверх-

ности

Средняя площадь

попереч-ного се-

чения

потока м2

Скорость

м/с

Глуби-

на

h

м

Гидрав-

личес-

кий

радиус

R

м

Коэф.

шерохо-

ватости

n

Дата

50

0,000074

234,3

0,209

3,38

2,94

0,0842

03.02.88

36

0,000071

218,0

0,167

3,17

2,77

0,0998

21.02.88

150

0,000094

341,9

0,513

4,7

3,91

0,0548

26.06.88

180

0,000102

372,8

0,475

5,05

4,16

0,05497

27.06.88

266

0,000088

432,8

0,6276

5,62

4,56

0,0412

29.07.88

340

0,000101

476,9

0,713

6,2

4,95

0,041

18.08.88

370

0,000101

495,8

0,746

6,4

5,09

0,03989

21.08.88

388

0,000102

506,7

0,766

6,51

5,16

0,0394

30.08.88

400

0,000096

507,6

0,79

6,52

5,17

0,37

10.09.88

426

0,000098

524,5

0,812

6,67

5,24

0,0368

12.10.88

406,8

0,000092

502,8

0,81

6,47

5,14

0,0353

18.10.88

490

0,000088

547

0,895

6,93

6,08

0,0349

22.11.88

380

0,000088

479,2

0,79

6,22

4,97

0,0347

12.12.88

458

0,000088

526,8

0,87

6,72

5,3

0,033

22.12.88

400

0,000087

491

0,81

6,35

5,05

0,0339

28.12.88

250

0,000071

383,6

0,651

5,17

4,25

0,0339

15.02.89

374

0,000086

474,5

0,788

6,2

4,93

0,0339

27.02.89

358

0,000082

460,5

0,777

6,02

4,83

0,0332

28.02.89

407

0,000090

500,5

0,813

6,45

5,12

0,0347

01.03.89

324

0,000083

444,3

0,729

5,85

4,71

0,0352

18.03.89

370

0,000087

476,8

0,78

6,2

4,95

0,0349

22.03.89

50

0,000041

197,3

0,253

2,9

2,57

0,0474

12.06.89

30

0,000025

162,3

0,185

2,42

2,19

0,0454

13.06.89

61

0,000041

208,7

0,292

3,05

2,68

0,0422

26.07.89

161

0,000053

302,4

0,532

4,22

3,57

0,032

06.06.89

 

    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"