Ильяс жуматович формирование русел спрямляющих прорезей в нижнем течении реки амударьи

На правах рукописи

УКД 626.532.3 Асаматдинов Ильяс Жуматович ФОРМИРОВАНИЕ РУСЕЛ СПРЯМЛЯЮЩИХ ПРОРЕЗЕЙ В НИЖНЕМ ТЕЧЕНИИ РЕКИ АМУДАРЬИ 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент – 2011

Работа выполнена в Среднеазиатском научно-исследовательском институте ирригации

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Байманов Кенесбай Ибраимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Бозоров Дилшод Раимович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Мухамедов Ялкин Самигович

Ведущая организация: Институт водных проблем Академии наук Республики Узбекистан

Защита состоится «_»2011 года в часов на заседании Объединенного специализированного совета К.120.06.02 при Ташкентском институте ирригации и мелиорации (ТИИМ) по адресу: 100000, г. Ташкент ул. Кары-Ниязова, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре (библиотеке) Ташкентского института ирригации и мелиорации.

Адрес: 100000, г. Ташкент, ул. Кары – Ниязова, 39.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь Объединенного специализированного совета К.120.06. к.т.н., доцент Т.З. Султанов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДЕССЕРТАЦИИ Актуальность работы. В настоящее время на раках Средней Азии проводятся работы для борьбы с размывом берегов и наводнением рек, применяются различного рода дорогостоящие защитные и регулировочные сооружения. Между тем, при наличии соответствующих благоприятных геологических и гидравлических условий, борьбу с наводнением и размывом берегов можно вести эффективно и экономично путем спрямления речных излучин. Этот метод основан на принципе использования даровой энергии самого речного потока.

В практике гидротехнического строительства давно применяется метод саморазмыва. Спрямления речных излучин, как у нас, так и за рубежом, проводились преимущественно на реках, имеющих значительный коэффициент извилистости, и в настоящее время по ним накоплен большой опыт. В среднем течении реки Амударьи, где река имеет коэффициент извилистости, не превышающий двух, искусственные спрямления излучин применяются в защитно-регулировочных работах только в последние годы.

Основной причиной такого слабого внедрения этого экономичного метода для регулирования речных русел является то, что до сих пор мало изучены такие вопросы, как изменение расхода наносов и интенсивность размыва по длине и во времени, динамика формирования поперечного и продольного профилей спрямления в процессе размыва.

Исследование динамики формирования спрямляющих прорезей и разработка методов их гидравлического расчета является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение при проектировании руслорегулировочных сооружений.

Степень изученности проблемы. Искусственные спрямления излучин рек обычно работают на саморазмыве, и развиваются последовательной деформацией пионерной прорези. Поэтому при проектировании спрямлений особое значение имеет прогноз переформирования их русел.

Для прогноза деформации размывающихся русел имеются многочисленные и разнообразные методы: И.И.Леви, М.А.Великанова, А.В.Караушева, Ю.А.Ибад-Заде, А.М.Мухамедова, И.А.Бузунова, Л.И.Викуловой, В.А.Скрыльникова, Г.А.Цой и других. Приведенные методики расчета деформаций являются справедливыми только для частных случаев и не решают наиболее актуальной задачи – расчета общей деформации русел в несвязных грунтах с учетом нестационарности течения.

Ввиду отсутствия окончательных решений этих задач, вопрос о расчете русловых деформаций решается приближенно, с рядом допущений и достаточно грубой схематизацией явления.

Применение существующих методов расчета спрямляющих прорезей для условий низовьев Амударьи нуждаются в уточнении действительно происходящих в натуре механизмов саморазмыва и в дополнении с учетом специфических особенностей, связанных с зарегулированностью стока.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.

Исследования проводились в области водного хозяйства по программе ГНТП РУз. 02. 05. «Разработка рекомендаций по нормированию экологических и санитарных пропусков на основе исследований процессов трансформации и распределения стока реки Амударьи в ее среднем и нижнем течениях» ( – 2005 г.г.) и научными договорами с Нижне-Амударьинским управлением гидроузлов БВО «Амударья» в период с 2002 по 2006 год.

Цель исследования: исследование и разработка метода расчета формирования русел спрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи с учетом размывающей способности потока.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью предполагалось решить следующие задачи:

-анализ существующих методов расчета деформаций размывающихся русел;

-исследование протекания процесса саморазмыва грунтов ложа спрямляющих прорезей и условий формирования поперечного и продольного профиля спрямления;

-изучение влияния спрямления на деформацию прилегающих участков русла реки;

-изучить динамики и продолжительности формирования спрямления в зависимости от местных гидрогеологических условий;

-разработка рекомендаций по проектированию, расчету и эксплуатации спрямляющих прорезей для условий реки Амударьи.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются спрямляющие прорези в нижнем течении реки Амударьи, а предметом– параметры взаимодействия потока и русла при турбулентном движения воды в размывающихся прокопах.

Методика исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и натурных исследований процесса формирования руслоспрямляющих прорезей по известным методикам гидравлики и гидрометрии. При обработке материалов исследований и гидрометрических данных УГМС использовались существующие статические программы.

Гипотеза исследования. Основной гипотезой при спрямлении речных излучин является придание ей требуемой ширины устойчивого русла размывом, используя даровую энергию самого речного потока.

Основные положения, выносимые на защиту:

-результаты натурных исследований динамики формирования руслоспрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи;

-рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации спрямляющих прорезей для условий реки Амударья (Нукус, изд-во «Каракалпакстан», 2009, -28 с.).

Научная новизна. На основе проведенных исследований автором получены следующие научные результаты:

-выявлена особенность руслового и наносного режимов спрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи и получены их качественная и количественная характеристики;

-установлена динамика формирования и процесс протекания саморазмыва русла прокопа в пяти фазах стадий движения наносов в зависимости от числа Фруда и скоростей течения потока;

-получена новая формула для определения размывающей способности потока с учетом воздействия колебательных возмущений, способствующих интенсивному разрушению структурных агрегатов частиц грунтов, лежащих на дне и берегах русла;

-разработан метод расчета формирования руслоспрямляющих прорезей, позволяющий определить интенсивность деформации и гидравлические элементы спрямления в любой момент размыва;

-разработаны гидроморфометрические соотношения с учетом критерий местной и общей устойчивости, позволяющие прогнозировать степень устойчивости и деформируемости руслоспрямляющих прорезей в процессе их эксплуатации.

Научная и практическая значимость результатов исследований.

Полученные по результатам исследований закономерности формирования пионерного прокопа саморазмывом будут использованы для прогнозирования и предварительной оценки динамической устойчивости и деформируемости руслоспрямляющих прорезей в процессе их эксплуатации.

Разработанный метод расчета формирования русел спрямления может быть применен для прогноза саморазмыва прорезей на реках, аналогичных по гидрологическим условиям р. Амударье при проектировании спрямления речных излучин. Этот метод также может быть использован для определения объемов смываемых наносов, при гидравлическом промыве подводящих и отводящих русел низконапорных плотин.

Реализация результатов. Разработанные рекомендации по проектированию и эксплуатации спрямляющих прорезей приняты:

управлением дамб НАБУИС Минсельводхоза РУз для использования при эксплуатации действующих прорезей и проектным институтом ДП ООО «УзГИП» для разработки проектных заданий, намечаемых при спрямлении излучин в нижнем течении реки Амударьи.

Экономическая эффективность регулирования русел рек методом спрямления речных излучин складывается из: разработки пионерного прокопа саморазмывом;

сокращения ущерба от размыва берегов;

снижения уровня паводковых вод;

сокращения протяженности реки и судоходство;

сокращения ремонтно-восстановительных работ по поддержанию валов;

увеличения пропускной способности русла реки в период паводка;

увеличения срока службы спрямляющих прорезей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на:

-международной научно-практической конференции «Водные ресурсы Центральной Азии», МКВК. 20-22 февраля 2002г, г.Алма-Ата;

-научно-производственной конференции «Современные проблемы управления водными ресурсами», посвященной 100-летию со дня рождения академика АН РУз Р.А.Алимова, НПО САНИИРИ. 14-16 март 2003 г., г.Ташкент;

-республиканской научно-практической конференции «Ер ва сув ресурсларидан фойдаланишда бозор мунособатларини шакллантиришнинг итисодий муаммолари», ТИИМ. 23-24 ноябрь, 2007 й., Тошкент;

-международной научно-практической конференции «Интеграция образования и науки, шаг в будущее», Актюбинский университет «Дуниё» 26-27 декабря, 2008 г., г.Актобе.

Результаты диссертационной работы рассматривались также на заседание секции «Водное хозяйство и системы управления» ученого совета САНИИРИ (протокол № 12/2010 от 23 ноября 2010 г.) и на научном семинаре Объединенного специализированного совета К. 120.06.02 при Ташкентском институте ирригации и мелиорации (протокол № 3 от 08.02.2011 г.) Опубликованность результатов. По результатам исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 журнальных, освещающих общее содержание диссертации.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 134 страницах, в том числе содержит 27 рисунков, 15 таблиц, список использованной литературы из 91 наименований. Общий объем работы составляет 176 страниц.

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, показана научная новизна исследуемой проблемы и сформулированы основные положения, представляющие предмет защиты.

В первой главе приводится обзор существующих научных концепций и исследований по изучению режима работы спрямляющих прорезей.

Регулированием русел рек занимались отечественные и зарубежные ученые:

Алтунин С.Т., Алтунин В.С., Артамонов К.Ф., Аннаев С.А., Амбарцумян Г.А., Бакиев М.Р., Бузунов И.А., Вызго М.С., Великанов М.А., Викулова Л.И., Гришанин К.В., Голубев Н.К., Данелия Н.Ф., Ибад-Заде Ю.А., Имамутдинов К.Х., Ирмухамедов Х.А., Исмагилов Х.А., Каюмов О.А., Карапетян М.Р., Карасев И.Ф., Кондратьев Н.Е., Куул И.С., Латипов К.Ш., Леви И.И., Лелявский Н.С., Ляпин А.Н., Михеев П.В., Михайлов Н.А., Мухамедов А.М., Попов И.В., Руруа Г.В., Скрыльников В.А., Снищенко Б.Ф., Студеничников Б.И., Тузов В.Е., Цой Г.А., Шапиро Х.Ш., Уркинбаев Р.К., Курбанбаев Е.К., Callаnder R.A., Engelund F., Kennedy S.F, Kozeny Y., Carter R.W. и другие.

Анализ этих работ показал, что многие актуальные вопросы взаимодействия русла с водным потоком изучены достаточно подробно и доведены до практического применения. Однако, вопрос гидравлики спрямления излучин рек изучен недостаточно. Спрямление, как новый элемент потока, развивается путем последовательной деформации пионерной прорези. Согласно существующим данным можно придти к выводу, что всякое спрямление излучин рек искажает и нарушает естественный режим реки, оказывая на него влияние на значительном протяжении, как выше, так и ниже спрямления. До сих пор нет законченных разработок по обоснованию условий образования и развития спрямления, а также отмирание меандр. При этом отсутствуют исследования динамики размыва руслоспрямляющих прорезей и методика их расчета в условиях зарегулированного стока. Исходя из вышеизложенного, сформировались цель и задачи наших исследований.

Во второй главе дана краткая характеристика гидрологического и руслового режимов в нижнем течении реки Амударьи в условиях зарегулированного стока. Проведен анализ многолетних натурных данных, характеризующих специфические особенности гидрологических режимов Амударьи в районе Тахиаташского гидроузла. Проанализированы результаты исследований спрямляющих прорезей, выполненных при бытовых условиях в нижнем течении р. Амударьи.

Строительство на реке Амударья ряда гидроузлов вызвало резкое изменение гидравлического и наносного режимов, особенно в нижнем течении. В условиях зарегулированного стока часто наблюдались маловодные годы и внутригодовое распределение расходов было крайне неравномерным. В эти годы среднемесячная мутность в створах Кипчак и Ниетбай-тас, по сравнению с бытовыми, уменьшилась в среднем в 8 и 16 раз соответственно.

Вместе с тем, с вводом в эксплуатацию Нурекского и Туямуюнского гидроузлов и частичного регулирования в них речного стока, а также в связи с увеличением водоотбора в Каракумский, Каршинский, Амубухарский каналы, максимальный расход воды ниже Туямуюнского гидроузла понизился и в последние 30 лет не превышал 4500 м3/с, а ниже гидропоста Кипчак составил 3500 м3/с. Несмотря на это, поток реки Амударьи по прежнему растекается по широкой пойме незарегулированного полностью русла реки, наблюдается дейгиш там, где берега не защищены сооружениями.

Согласно разработанным в 1981 г. рекомендациям САНИИРИ «Схемы двухстороннего регулирования русла Амударьи от Туямуюнского гидроузла до мыса Кипчак» должно было быть построено 255 дамб. К 1989 года было построено около 100 дамб, однако часть дамб разрушено рекой. На участке от Кипчака до Тахиаташского гидроузла работы по регулированию русла реки никогда не выполнялись. Выполнялись локальные работы в реке по обеспечению водозабора в каналы Кызкеткен, Суенли, Ханяб до пуска в эксплуатацию Тахиаташского гидроузла.

Опыт берегозащитных работ, проводившихся в нижнем течении реки Амударьи с 1940 года, показал неудовлетворительность применявшихся креплений и конструкций из дерева и местных материалов (каменно хворостяные тюфяки, фашинная кладка, тетраэдры А.Н.Гостунского, сетчатые заилители С.Т.Алтунина, струенаправляющие щиты И.В.Потапова, сквозная дамба С.И.Сыромятникова и т.п.).

В последние годы большое распространение в районе южной зоны Каракалпакии и Хорезмской области получило регулирование русла реки Амударьи поперечными земляными траверсными дамбами. Опыт эксплуатации этих дамб показывает, что ежегодно для восстановления от смыва поврежденных дамб расходуется огромные эксплуатационные затраты.

Наиболее эффективным методом для регулирования русла реки Амударьи в мелиоративных целях является способ спрямления речных излучин. Опыт выполнения спрямляющих прорезей большей частью показал положительные результаты.

В третьей главе приведены результаты натурных исследований автора, проведенные в 2003-2005 г.г. на спрямлении реки Амударьи в районе головного участка канала Назарханарна. На этом участке наблюдались большие размывы, угрожающие смывом участков посевных пойменных площадей и поселка Бердаха. Для отвода потока от опасного участка в году было произведено спрямление излучины реки Амударьи путем устройства пионерного прокопа, запроектированного на саморазмыв.

Пионерный прокоп проходил в основном по мелкопесчаному грунту (средний диаметр частиц 0,07 мм) и в момент спрямления имел размеры, приведённые в табл.1. Из-за сложности производства работ перекрытие спрямляемой излучины не производилось.

Таблица 1.

Гидравлические элементы спрямления и излучины Наименование Длина, Глубина Ширина Наполнение, Расход Продольный элементов км. выемки, по м. воды, уклон м. верху, м /с.

м.

Излучина 10,5 - 600 1,3 370 0, Спрямление 6,5 3,0 45 1,8 100 0, (прокоп) Открытие спрямления осуществлено 20 мая 2003 года пропуском небольших расходов воды через прокоп без перекрытия излучины перемычкой.

Наблюдение за динамикой формирования спрямления проводилось путем периодической съемки поперечников по створам, установленным на пикетах: (ПК 3, ПК10, ПК 20, ПК 25, ПК 30, ПК 35, ПК 40, ПК 45, ПК 50, ПК 55, ПК 60, ПК 63) и в русле реки выше и ниже спрямления;

измерения скоростей течения, уровней, расходов воды;

отбора проб мутности и донных отложений, поплавочные съемки поверхностных струй на подходе к прокопу.

В результате соответствующей обработки и анализа материалов натурных исследований установлены следующие факторы.

Формирование спрямления происходило в течение трех лет постепенно нарастающим расходом. Наибольшая интенсивность размыва наблюдалась в 2005-ом многоводном году по сравнению с 2003 и 2004 гг. Отличительной особенностью размыва прокопа в 2005 году являлось то, что он происходил исключительно в ширину. Причиной прекращения размыв в глубину следует считать достижение потоком базиса эрозии и стремление мутного потока размывать грунт по ширине русла, скапливая в придонной области смытые наносы значительной высоты, движущиеся по дну грядовой формой. В результате переформирования русла реки, происходило занесение наносами входной и выходной части меандры, после чего весь расход реки поступал в спрямление.

В процесс размыва трапецеидальное сечение прокопа принимало форму параболы с углом откоса у уреза воды, равным углу естественного откоса предельно влажного грунта. Надводный откос в течение всего периода размыва сохранял вертикальное положение, благодаря наличию в верхних слоях берегов прокопа корневой системы тугайной растительности.

Формирование спрямлений в поперечном направлении характеризуется последовательными съемками плановых положений поперечных сечений (рис.1), а в продольном направлений - профилями дна спрямления (рис. 2).

Данные этих рисунков показывают, что при прохождении паводковых расходов пионерная траншея сильно деформировалась: дно канала расширилось до 60-70 м, ширина по урезу воды местами достигала 166 м.

Ежесуточное расширение русла составляло 1,0-2,0 м. Интенсивность суточных углублений русла составляла 3-7 см, при этом в гидростворах (ПК 45, ПК 50, ПК 55, ПК 65) размыва в глубину после 2003 года почти не происходило, а наоборот наблюдался подъем дна на 0,5-1,0 м, так как отметки дна спрямления были ниже отметок дна прилегающих участков русла реки.

Рассмотрим явления размыва берега исследуемого прокопа. Наиболее интенсивный размыв берега наблюдается при подъеме паводка в период резкого нарастания расходов воды (рис. 3), при этом основной причиной смыва являются поперечные вихревые образования колебательного характера, направленные к берегу с большими скоростями. При этом в движении к берегу участвует струя почти по всей глубине над дном, а в движении от берега в подвале дна возникает мощное спиралеобразное течение. Таким образом, поток приобретает возможность транспортировать от очагов размыва значительное количество грунта. Прибрежная струя наваливается на участки берега и размывает берег наиболее интенсивно на участках прижима потока. Здесь образуется вымоины, и берег на участке размыва становится зубчатым. Каждая вымоины берега имеет в плане две а) Поперечник на ПК 10.

H (м) 82, 80, 78, 76, 74, 72, В (м) 70, 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Проектный 03.06.2003 г. 09.07.2004 г. 26.07.2005 г.

б) Поперечник на ПК 20.

H (м) 80, 78, 76, 74, 72, В (м) 70, 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Проектный 03.06.2003 г. 09.07.2004 г. 26.07.2005 г.

в) Поперечник на ПК 45.

H (м) 80, 78, 76, 74, 72, B (м) 70, 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Проектный 03.06.2003 г. 09.07.2004 г. 26.07.2005 г.

г) Поперечник на ПК 63.

Н (м) 80, 78, 76, 74, В (м) 72, 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Проектный 03.06.2003 г. 09.07.2004 г. 26.07.2005 г.

Рис. 1. Совмещение поперечных сечений русла спрямления излучин на р. Амударья стороны: вдоль одной поток движется, а на другую почти под прямым углом наваливается, интенсивно размывая и механически разрушая берег.

Продукты размыва выпадают на расположенной ниже береговой части, скатываются по его верховому откосу в подвале, где подхватываются течением и уносятся от берега.

Н (м) 80, 79, 78, 77, 76, 75, 74, 73, 72, 71,00 L (км) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6, проектное дно 8.06.2003 г. 09.07.2004 г.

26.07.2005 г. отметка земли горизонт воды Рис. 2. Продольный профиль дна спрямления излучин на р.Амударья Объем размыва в тыс.м L (км) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7, Рис. 3. Изменение объема размыва по длине прокопа за 2003 –2005 гг:

1 - за период с 2.06.2003 г. – 24.09.2003 г.;

2 - за период с 25.09.2003 г. – 18.09.2004 г.;

3 - за период с 20.09.2004 г. – 22.09.2005 г.

На рисунках 3.13, 3.14, 3.15, приведенных в диссертационной работе, объем деформации русла прокопа вычислен по методу баланса наносов.

Здесь по разнице наносов, проходящих через начальный (ПК3) и конечный (ПК63) створы на расчетном участке русла (L=6000 м) за расчетный интервал времени определялся объем деформаций. Кроме того, объем деформации русла получен по съемкам глубин совмещенных поперечников.

Подсчитанные этим методом объемы размыва на расчетном участке спрямления за 2003-2005 гг. приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Объемы размыва, определенные по методу баланса наносов и по съемкам поперечников прокопа за 2003-2005 гг Периоды наблюдений Сумма №, объема Показатели п/п размыва 2003 г. 2004 г. 2005 г.

прокопа, м3.

Объем размыва по балансу 1 868312 1159192 1432071 наносов, G/, м Объем размыва по съемкам 2 900920 1214500 1386400 поперечников, Wp, м Из данных табл. 1 видно, что определенные по двум методам значения объемов размыва близки друг к другу и наибольшее отклонение их значений составляет 5%.

По данным измерения глубин поперечных сечений на гидростворах спрямления, абсолютное значение деформации дна (размыв – плюс;

занос – минус), определялось по формуле h p hn h0 Z (1) Z Z n Z 0 Абсолютное значение деформаций всего поперечного сечения B0 Bn p n 0 Z (2) где ho и o–максимальная глубина воды и площадь живого сечения поперечника, принятого за начало сравнения;

hn и n–то же, для любого измерения в этом же створе;

Bn и Bo–соответственно ширины по урезу воды в этом же створе.

Суточные деформации определялись делением абсолютной величины деформации в день наблюдений, на предшествующий интервал времени в сутках.

Анализ материалов натурных наблюдений показывает, что интенсивность и размер русловых деформаций зависят не только от скорости потока, но и от интенсивности нарастания и спада уровней воды и других факторов. На рис. 4 построен совмещенный график деформации русла спрямления излучин на реке Амударья. По оси ординат отложены суточные деформации всего живого сечения русла, уровни воды, скорости течения потока, по оси абсцисс – время наблюдения. Из рисунка видно, что на подъеме поводка с возрастанием скорости потока суточные деформации скачкообразно возрастают. Чередование максимумов и минимумов на кривой 3 зависят от изменения расходов воды, поступающей в спрямление и продолжительность повторяющихся паводков. Под воздействием пульсирующей нагрузки турбулентного руслового потока происходит разрушение структурных агрегатов и изменение физико-механических и прочностных свойств грунтов ложа.

1–уровня воды;

2–скорости потока;

3–суточные деформации площади живого сечения Рис. 4. Совмещенный график деформации русла спрямления излучин на р. Амударья Изменение естественных условий протекания потока и размыв самого прокопа вызвали некоторые изменения на прилегающих участках русла р. Амударьи. Выше спрямления образовалась кривая спада по длине 1,5 км и наблюдался размыв, особенно на участке перед входом в прокоп. Концевой участок прокопа находился в зоне небольшого подпора. Это отразилось на формировании выходного участка, где дно размывалось на меньшую величину, чем на остальных местах. Ниже спрямления происходили незначительные русловые деформации. При этом, не наблюдалось образование русловых форм, влияющих на уменьшение пропускной способности потока.

Как правило, русловой поток, протекающий в песчаном ложе, перемещает наносы пропорционально его транспортирующей способности.

При спрямлении излучин происходит размыв дна и берегов, вследствие нарушения баланса между транспортирующей способностью потока с увеличенным удельным расходом и транспортирующей способностью потока в бытовом русле. Транспортирующую способность потока в бытовых условиях можно определить по простому выражению К.В.Гришанина, выведенного им в результате анализа соотношении ряда формул (С.Х.Абальянца, А.В.Караушева, И.И.Леви и др.): ( Fr (* / w0 )1, 25. Эта формула уточнена нами по данным исследований на спрямляющих прорезях на реке Амударье, которая имеет следующий вид:

1, 25 1, v Б Fr * 0, w (3) 0 0 gH где V – средняя скорость потока;

h–средняя глубина потока;

о – средняя гидравлическая крупность наносов;

ghi – динамическая скорость.

При спрямлении излучин скорости потока в сжатом первоначальном сечении потока увеличиваются, транспортирующая способность также увеличивается, причем, чем больше значение расходов паводковых вод, тем большей размывающей способностью обладает поток. В этих условиях, для определения расхода смытых наносов, применение формул критической мутности в виде (3) дает большие погрешности - ±44% от наблюденной мутности. Поэтому нами для расчета размывающей способности потока получено уравнения с учетом воздействия колебательных возмущений, так как размыву русла различных масштабов способствуют резонансные явления между поперечными малыми и продольными большими колебаниями в следующем общем виде:

2B H K (4) V 1 / g Многими исследователями выявлено весьма существенное влияние коэффициента гидравлического сопротивления на размывающую и перемещающую способность потока. Выполнив некоторые преобразования в формуле М.А.Великанова, нами в работе получена связь транспорта наносов с гидравлическим сопротивлением S 1 / 3 / 2. С учетом этого, уравнение (4) запишется в следующем виде:

V 2B SK (5) 2H g где V–средняя скорость потока;

Н–средняя глубина потока;

В–ширина водной поверхности;

-ускорение свободного падения;

К-волновое число ( К 2 ).

Проверка выражения (5) по данным натурных исследований на участках спрямлений излучин р. Амударьи в нижнем течении подтверждает выдвинутую гипотезу резонанса, то есть увеличение размывающей способности русловых потоков под воздействием колебательного возмущения с периодами амплитуды К 2 (рис.5). Здесь все точки измерений расположились около одной прямой и имеют достаточно тесную связь:

V 2 B 2 V 2 B S 1,98 (6) 2H g 3 2H g Расход наносов в весовом исчислении при расходе в реке Q будет 2 V 2B GT Q S Q 3 2H g или в объемном измерении GT V 2B G DQ (7) 2H g, -объемный вес наносов.

Где D Из уравнения (7) получим безразмерное соотношение величин G V 2B D (8) Q 2H g По материалам сопоставления съемок поперечников расход наносов G представляет собой отношение объема грунта W, выносимого из прорана по времени t:

W hBl G (9) t t где l - длина рассматриваемого участка, принимаемая равной единице длины, l = 1 п.м.

Преобразуем уравнение (8), для этого вместо G подставим его значение из (9) hB V 2B DQ t 2H g или 2 V 2B Q (10) 3 2 H t g Формула (10) характеризует изменение площади деформации спрямления за отрезок времени с начала размыва русла до рассматриваемого момента.

S, кг/м o- +- 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3, 1- спрямление в районе каналов Кылышниязбай (1967 г.) и Ташсака(1970 г.);

2 – спрямление в районе канала Назарханарна (2003-2005 гг.), по предлагаемой методике автора.

V 2B Рис. 5. График зависимости S f 2H g В четвертой главе приведены основные закономерности формирования и метод расчета спрямляющих прорезей. Согласно современным представлениям, причиной случайных процессов срыва и взвешивания частиц грунта турбулентными потоками являются максимальные мгновенные гидродинамические силы, обусловленные актуальными скоростями течения. Основываясь на этих концепциях, в работе получены критерии начала эрозии и значения срывающей скорости, а также критерии взвешивания частиц грунта.

Как известно, турбулентный водный поток характеризуется особым взаимодействием с легкодеформируемым руслом. Вскрыть сущность этого процесса - значит решить очень сложную проблему взаимодействия потока и русла. Поэтому этот вопрос уже более ста лет интересует многих отечественных и зарубежных исследователей.

Ближе к его пониманию подошел М.А.Великанов, который указал на то, что основная роль в деформации дна и берегов принадлежит низкочастотной части спектра энергии турбулентных возмущений. В дальнейшем экспериментальными исследованиями А.В.Клавена, Н.А.Михайловой, Н.Е.Кондратьева, К.В.Гришанина, В.К.Дебольского, А.Н.Ляпина, Б.Ф.Снищенко и других это было подтверждено. Они указывали на необходимость развития тезиса Великанова о влиянии на дно низкочастотной турбулентности, а так же высказывали соображения о природе наблюдавшихся внутренних течений, отвечающих колебательным движениям самой низкой частоты.

Таким образом, можно предполагать, что деформация русла происходит в основном под воздействием турбулентных возмущений, имеющих колебательный характер движения. В работе на основании анализа материалов исследований и критерия подобия К.В.Гришанина, а так же формулы М.А.Великанова для расчета расхода наносов, нами получено уравнение, характеризующее деформации речных русел под воздействием колебательных возмущений - (4.32) в работе.

Предлагаемый метод расчета процесса саморазмыва пионерного прокопа. На основании анализа материалов проведенных натурных исследований, нами составлена расчетная схема и разработан метод расчета процесса саморазмыва спрямления речных излучин в условиях мелкопесчаных грунтов при следующих допущениях:

а) размыв пионерного прокопа происходит по всему периметру, и материал размыва транспортируется потоком в виде донных наносов;

б) поперечное сечение прокопа в процессе размыва представляет собой русло с параболическими бортами и углом откоса предельно влажного грунта;

в) надводная часть откоса удерживается вертикальной, благодаря наличию в верхних слоях земли корневой системы растительности.

При выводе расчетных формул за основу приняты четыре уравнения:

1. Уравнение деформации русла:

H (11) l t где – расход наносов;

– удельный вес наносов;

– живое сечение прокопа;

l – расстояние по направлению потока;

t – время.

2. Уравнение расходов наносов:

Q cp (12) где Q – расход воды;

ср - средняя мутность потока.

3. Уравнение неразрывности:

Q V (13) где – живое сечения прокопа;

V – средняя скорость потока.

4. Уравнение площади живого сечения прокопа:

В hм акс ctg h (14) м акс 3 где hмакс – максимальная глубина потока;

В–ширина по урезу воды прокопа, – угол гидродинамического равновесия грунта.

Используя уравнения деформации русла, расхода наносов и неразрывности потока, а также данные натурных исследований, нами разработан метод расчета, позволяющий установить динамику саморазработки прокопа для условии р. Амударьи.

1. Расход воды в спрямлении при угле отвода трассы пионерного прокопа менее 30 можно определить по следующей формуле:

K c ic Qспр Qр (15) K p ip где Qспр и Qр–расход воды в спрямлении и в реке;

iс и iр–уклоны в спрямлении и в реке;

Kс и Kр-модули расходов воды в спрямлении и в реке.

Первоначальный расход воды пионерного прокопа определяется по формуле:

1 Q cos Qспр р K (16) i ic где Ki - коэффициент соотношения уклонов K i ip 2. Для определения размеров пионерного прокопа рекомендуются следующие формулы:

В 3 QC 2.1. ширина русло прокопа по верху h 0,23 QC 2.2. средная глубина потока hmax 1,49h (17) 2.3. максимальная глубина потока 2.4. Принимается сечение прокопа с параболическими бортами.

Площадь поперечного сечения прокопа:

B h м акс ctg h (18) м акс 2.5. Средняя скорость потока:

QB V 2 ctg h м акс hм акс 3 (19) 3. Расчет расхода смытых наносов по времени выполняется нами по полученной новой формуле (6), основанной на гипотезе о срыве частиц грунтов ложа под воздействием «колебательных возмущений».

3.1 По формуле (6) определяется мутность смываемых наносов, а затем дополнительная мутность:

g 0 (20) где 0 - входная мутность. Берется из графика 0=f(t), построенного по данным измерений на входном створе спрямления.

3.2 Для каждого интервала (времени или расстояния) вычисляется средняя дополнительная мутность ср и расход Qср как полусумма этих величин в начале и в конце интервала, а по ним определяется объем суточного размыва:

ср Qср W p 86400 (21) н 4. Далее определяется объем размыва прокопа в ширину и глубину:

Н L WВ ( В В0 ) Н 0 (22) WН НВ0 L (23) где B0, B0–ширины прокопа соответственно в начале и в конце интервала;

H0-полная глубина прокопа (считая от поверхности земли);

H-понижение уровня воды за все интервалы, включая и расчетный.

5. Объем размыва дна реки выше прокопа определяется по формуле:

1 Н Wp Bp (24) 2 j j где j–уклон в конце интервала:

Н j jn (25) L здесь jn=kj0 –начальный уклон прокопа;

k–коэффициент извилистости;

бытовой уклон реки.

6. Для определения характера изменения площади живого сечения потока в прорези по времени выведена расчетная формула, имеющая следующий вид:

t Qn t н ( 0 ) (26) ln где н -первоначальная площадь живого сечения потока в прокопе;

t–время в сутках;

-расход воды в прокопе;

–длина прокопа;

а–коэффициент, учитывающий удельный и объемный веса грунта.

7. Совместно решая уравнения размывающей способности потока (6), расхода наносов в объемном измерений (7) и в плотном теле (9), нами выведена расчетная формула, позволяющая установить интенсивность деформаций на 1 п.м. длины прокопа:

1 2 v 2B Q (27) t 3 2H g Формула (27) характеризует интенсивность деформации площади русла прокопа за отрезок времени с начала размыва русла до рассматриваемого момента.

Для расчета и прогноза динамики саморазработки прокопа необходимо иметь плановые материалы, измеренные уклоны на участке излучины и гидрограф реки, на которой устанавливаются следующие параметры: уклон, длины излучины и прокопа, углы отвода трассы прокопа () и подхода воды (), а также ожидаемые расход воды в реке. Расчет динамики саморазработки прокопа нами проводился согласно предлагаемой методике в следующей последовательности – по формулам (15) – (27).

По результатам исследований дан анализ механизму сложного процесса саморазмыва русла пионерного прокопа в зависимости от числа Фруда Fr и соотношения скоростей V/Vo, где с постепенным ростом скоростей режим движения наносов был разделен на пять фаз. Эти режимы подробно изложены в работе.

Интенсивность и направленность руслового процесса при саморазмыве зависит от уклона водной поверхности и соотношения между шириной и глубиной потока, что влияет на общую и местную устойчивость.

В качестве критерия устойчивости русла спрямления по ширине нами принято соотношения С.Т.Алтунина (А=ВJ0.2/Q0,5). Это соотношение не удовлетворяет принципу размерности, поэтому для оценки интенсивности плановых деформаций можно применить следующее видоизмененное выражение:

v У Б 10 B j 0, 2 (28) Q Для анализа хода интенсивности деформаций дна и изменения общей устойчивости русла принято соотношение:

gd Б 10 (29) V По результатам анализа материалов исследований динамики формирования руслоспрямляющих прорезей на реке Амударье была установлена тесная связь между показателями Б=f(УБ). Аналитическое выражение функции Б=f(УБ) имеет следующий вид:

У 5, Б 0,5 ln Б 0,20 (30) У 6, Б Формула (30), характеризует гидроморфометрическое соотношение формирования русел прорезей саморазмывом, с помощью которой можно оценить степень устойчивости и деформируемости русел равнинных рек, проходящих в мелкопесчаных грунтах.

В приложение 1 приведены рекомендации по проектированию и эксплуатации спрямляющих прорезей, дан пример расчета по предлагаемому методу и сопоставление с данными натуры, а также оценка экономической эффективности применения метода спрямления речных излучин, как одно из мероприятий по регулированию русел рек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Результаты выполненных исследований позволили сформулировать следующее заключение:

1. Спрямления, как новый элемент потока, развивается последовательной деформацией выстроенной пионерной прорези. Всякое спрямление излучин реки искажает и нарушает естественный режим реки, оказывая на него влияние на значительном протяжении, как выше, так и ниже спрямления. После включения пионерного прокопа происходит два процесса: в излучине, вследствие отвода части расходов воды, транспортирующая способность потока меньше чем в реке, поэтому здесь доминирует режим заиления;

в спрямлении же, вследствие повышенной транспортирующей способности, доминирует режим размыва. В результате взаимодействия этих двух процессов происходит саморазработка пионерного прокопа. Это является наиболее эффективным и экономичным методом борьбы с размывом берегов.

Спрямление излучин, как одно из мероприятий по регулированию русел рек, полностью оправдало себя. Однако, этот весьма экономичный и эффективный метод еще не нашел широкого применения в реках Центральной Азии. Основной причиной этого следует считать слабую изученность русловых деформаций, возникающих в связи со спрямлением речных излучин.

2. Проведенными нами натурными исследованиями установлено:

-закономерность изменения руслового и наносного режимов спрямляющего прокопа по времени и их качественные и количественные характеристики;

-механизмы процесса размыва грунтов ложа (критерии срыва, перекатывания и взвешивания частиц грунта и их стадии движения) турбулентными возмущениями колебательного характера;

-закономерность формирования поперечного и продольного профиля спрямления;

-влияние зарегулированности стока на характер и продолжительность формирования спрямления;

-влияние спрямления на деформацию прилегающих участков русла реки.

3. Установленные закономерности позволили нам разработать метод расчета формирования руслоспрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи. Этот метод исходит из уравнений гидравлики и динамики русел, является достаточно простым и, в отличие от существующих, учитывает амплитуды колебательного характера возмущений, позволяет наиболее точно определить гидравлические элементы спрямления и объем размытых грунтов в любой момент времени.

4. На основе анализа теоретических и натурных исследований показано, что процесс размыва речных русел происходит под воздействием колебательных возмущений при движении потока. С учетом этих факторов получена формула (6) для расчета его размывающей способности. Таким образом, полученные зависимости позволяют дать объяснение процессам возникновения и развития грядового режима и хода русловых деформаций в руслах рек и каналов.

5. Результаты расчета спрямления р. Амударьи по предлагаемому методу и их сравнение с натурными данными показали хорошую сходимость и позволяют рекомендовать ее к практическому применению.

6. Установлена связь между критериями местной и общей устойчивости (30), позволяющая прогнозировать плановые и глубинные деформации по всей длине спрямляющих прорезей.

7. Разработаны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации спрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи.

8. Дальнейшие исследования должны быть направлены на:

- изучение руслоформирующих процессов в нижележащем участке спрямления;

- изучение деформаций прорези при наличии движущейся мезоформы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 1. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж., Шаниязов Г.Т. Антропогенное изменение режима течения и структурные уровни руслового процесса в нижнем течении р. Амударьи //В кн. материалы III-международной конференции «Водные ресурсы Центральной Азии», МКВК, - Алмата, 2002. C.348-352.

2. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж., Жаманкараев С.О. Методика расчета русловых процессов в нижнем течении р. Амударьи //В кн.

«Современные проблемы управления водными ресурсами». Сборник научных трудов САНИИРИ. - Ташкент, 2003. - C.40- 3. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж. Расчет спрямления излучин в условиях зарегулированного стока р. Амударьи. // Вестник ККО АН РУз, Нукус, 2003.-№ 5. -C.29-32.

4. Асаматдинов И.Ж. О процессе размыва русел рек и каналов //Вестник ККО АН РУз. –Нукус, -2005. -№ 5. - С.50-52.

5. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж. Об оценке русловых процессов в нижнем течении р. Амударьи //Материалы научно-практической республиканской конференций ТИИМ, 23 -24 ноябрь 2007 г. – Ташкент, 2007. - С.224-226.

6. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж. Исследование саморазмыва русла прокопа в условиях зарегулированного стока р. Амударьи // Проблемы механики АН РУз. -Ташкент, 2008. - №3, - С.47-51.

7. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж. Метод расчета процесса размыва спрямления речных излучин в условиях мелко-песчаных грунтов //Проблемы механики АН РУз. - Ташкент, 2008. - №6, - С.16-19.

8. Асаматдинов И. Ж. Исследование саморазмыва руслоспрямляющих прорезей //Материалы международной научно–практической конференции «Интеграция образования и науки, шаг в будущее». Актюбинский университет «Дуние». 26-27 декабрь 2008 г. - Актобе, 2008. - С.208-209.

9. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж., Узаков Т. Колебательные возмущения в потоке и деформация речных русел. //Мелиорация и водное хозяйство. –Москва, 2009. - №4, - С.41-43.

10. Байманов К.И., Асаматдинов И.Ж. Указания по проектированию и эксплуатации спрямлений. - Нукус, «Каракалпакстан» 2009. - 28 с.

11. Асаматдинов И.Ж. Некоторые итоги исследований мер борьбы с разрушением берегов р. Амударьи. //Проблемы механики АН РУз. -Ташкент, 2009. - №1. - С.40-42.

Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Асаматдинов Ильяс Жуматовичнинг 05.23.16–«Гидравлика ва мухандислик гидрологияси» ихтисослиги бўйича «Амударё дарёсининг уйи оимида ўзанни тўриловчи кесимларнинг шаклланиши» мавзусидаги диссертациясининг РЕЗЮМЕСИ Таянч сўзлар: бурилишларни тўриланиши, меандра, дарё ва каналлар ўзанининг шаклини бузилиши, оимни ювиб юборувчи имконияти, ўзандаги жараёнлар, тебранувчи хусусиятли ўзалиш, кесим ўзини–ўзи ювиши, оизилар сарфи.

Тадиот объектлари: Амударё дарёсининг уйи оимидаги дарё бурилишларини тўриловчи кесимлар.

Ишнинг масади: Оимнинг ювиб кетиш имкониятини хисобга олиб Амударё дарёсининг уйи оимида ўзани туриловчи кесимнинг шаклланишини хисоблашни тади илиш ва методини ишлаб чииш.

Тадиот методлари: Амалдаги тадиотларни ўтказишда гидравлика ва гидрометрияда абул илинган умумий методлар ўлланилган.

Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги:

Амударё дарёнинг уйи оимидаги тўриловчи кесимларнинг ўзани ва оизилар режимларининг хусусиятлари ойдинлаштирилди ва уларнинг мидор тавсифлари олинди;

тебранувчи ўзалиш таъсирини хисобга олиб, ўзаннинг ўзини ўзи ювиб кетишида оимнинг ювиб кетиш имкониятини анилаш учун янги формула олинди;

ўзандаги деформация жадаллиги ва давомийлиги амда гидравлик элементларни анилаш имкониятини берадиган тўриловчи кесим ўзанини шаклланишини хисоблаш методи ишлаб чиилди;

ўзан тўриловчи кесимларнинг мустакамлик даражаси амда деформация жараёнини башорат илиш имконини берувчи гидроморфометрик болилик ишлаб чиилди.

Амалий аамияти: Таклиф илинган ўзини–ўзи ювиш натижасида ўзан шаклланишини хисоблаш методи аналогик ва гидрологик шароитлар бўйича Амударё дарёси ўзанининг деформациясини башорат илиш, амда паст босимли тўонлар, сув олиб келадиган ва олиб кетадиган ўзанларнинг ўзини-ўзи ювилишида ўзан шаклининг бузилишини башорат илиш учун ўлланилиши мумкин.

Татби илиш даражаси ва итисодий самарадорлиги: Тадиот натижалари Амударё дарёнинг уйи оимидаги ўзанни тартибга солишда Ўзбекистон Республикаси ишло ва сув хўжалиги вазирлиги уйи-Амударё авза ирригация тизимлари бошармасининг Дельта бошармаси ва Амударёнинг уйи оимидаги эгриликларни тўрилашнинг лойиавий масалаларини ишлаб чииш учун “УзГИП” МЧЖ лойиа институти томонидан абул илинди.

ўлланилиш сохаси: Ўзбекистон Республикаси ишло ва сув хўжалиги вазирлиги тасарруфидаги сув хўжалиги эксплуатация ташкилотлари ва лойиа институтлари.

РЕЗЮМЕ диссертации Асаматдинова Ильяса Жуматовича на тему: «Формирование русел спрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16–«Гидравлика и инженерная гидрология» Ключевые слова: Спрямления излучин, меандра, деформация русел рек и каналов, размывающая способность потока, русловые процессы, возмущения колебательного характера, саморазмыв прорези, расход наносов.

Объекты исследования: Спрямляющие прорези речных излучин в нижнем течении реки Амударьи.

Цель работы: Исследование и разработка метода расчета формирования русел спрямляющих прорезей в нижнем течении реки Амударьи с учетом размывающей способности потока.

Метод исследования: При проведении натурных исследований были применены общепринятые методы гидравлики и гидрометрии.

Полученные результаты и их новизна:

выявлены особенности руслового и наносного режимов спрямляющих прорезей в нижнем течении р. Амударьи и получены их качественная и количественная характеристики;

получена новая формула для определения размывающей способности потока при саморазмыве с учетом воздействия колебательных возмущений;

разработан метод расчета формирования русел спрямляющих прорезей, позволяющий определить интенсивность и продолжительность деформаций и гидравлические элементы;

разработаны гидроморфометрические соотношения, позволяющие прогнозировать степень устойчивости и деформируемости русел спрямляющих прорезей.

Практическая значимость: Предлагаемый научно обоснованный метод расчета формирования русел саморазмывом может быть применен для прогноза деформации русел рек, аналогичных по гидрологическим условиям р. Амударьи и при гидравлическом промыве подводящего и отводящего русел низконапорных плотин.

Степень внедрения и экономическая эффективность: Результаты исследований использованы управлением дамб НАБУИС при регулировании русел в нижнем течении р. Амударьи и проектным институтом ДП ООО «УзГИП» при составлении проектов спрямляющих прорезей. Использование метода спрямления излучин дает значительный экономический эффект.

Область применения: Водохозяйственные, эксплуатационные организации и проектные институты Министерства сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан RESUME Thesis of Asamatdinov Ilyas Jumatovich on the scientific degree competition of the doctor of philosophy in technical on speciality 05.23.16 – Hydraulics and Engineering Hydrology, subject: “Forming river bed of rectifying drainage cuts in the Amudarya river lower reaches” Key words: bend rectification, meander, deformation of river and channel beds, erosion capacity of flow, riverbed movement, vibrational perturbation, self erosion of opening, sediment discharge.

Subjects of research: rectifying drainage cuts of river bends in the Amudarya river lower reaches.

Purpose of work: Research and development of a method of calculation of rectifying drainage cut channels formation in the Amudarya river lower reaches.

Methods of research: Standard hydraulics and hygrometry methods were applied during field observations.

The results obtained and their novelty:

Peculiarities of channel and sediment operations of rectifying drainage cuts in the Amudarya river lower reaches have been discovered and their quality and quantity characteristics have been obtained;

New formula for the determination of the flow erosion capacity at self erosion allowing for the impact of vibrational perturbation on calculation method that allows determining intensity and duration of deformation and hydraulic elements has been developed;

Hydromorphometric correlations that allow forecasting the degree of rectifying drainage cut channel stability and deformation has been developed.

Practical value: The proposed scientifically justified method of calculation of channel formation by self-erosion can be used to forecast river channel deformation analogous to the Amudarya river in terms of hydrological condition and at hydrologic blowout of entrance and tailrace channels of low-pressure dams.

Degree of embed and economic effectivity: The research results were used by the administration of the Lower Amudarya BISA dam when regulating channels in the Amudarya river lower reaches and by the Design Institute “UzGIP” Ltd.

affiliate when drawing up designs of rectifying drainage cuts. Using the rectifying drainage cuts method results in significant economic effect.

Field of application: Water management and operational organization and design institutes of Ministry of Water resources and Agriculture of Uzbekistan.