Технология строительства искусственных русел с повышенными характеристиками сопротивляемости размыву

При осуществлении хозяйственной деятельности на территориях, прилегающих к водным объектам, зачастую возникает необходимость в создании искусственных русел. При этом требуется проведение регулировочных мероприятий в целях увеличения пропускной способности русел рек. Так, например, проведение мероприятий по защите от затопления населенных пунктов Забайкальского края (сел Агинское, Боржигонтай, Газимурский завод, Дульдурга, Калга, Могойтуй, Улеты, Усть-Карск, Хара-Шибирь, городов Нерчинск, Чита и др.) привело к необходимости создания участков искусственных русел.

Искусственные русла могут создаваться также при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, расположенных в поймах рек. В этом случае отведение водотока осуществляют по руслоотводному каналу, кроме того, для перехвата и отвода поверхностных вод, стекающих к карьеру, со стороны превышающих отметок водосборной площади устраиваются нагорные каналы.

В случае больших уклонов в устраиваемых руслах возникают значительные скорости потока и, как следствие, размыв дна и берегов. Это приводит к загрязнению нижележащей части водотока продуктами размыва, что нарушает световой и кислородный режимы, снижает самоочищающую способность, нарушает жизнедеятельность гидробионтов и т.д.

При размыве поверхности искусственных русел возникает необходимость проведения внеплановых ремонтных мероприятий, что приводит к дополнительным затратам. Кроме того, при защите территории от затопления размыв защитных дамб, являющихся частью сечения искусственного русла, может привести к катастрофическим последствиям и значительному ущербу экономике.

Для оценки возможности устройства искусственных русел были рассмотрены 82 участка пойм ряда рек Забайкальского края по архивным и проектным данным институтов «За-байкалводпроект», «Забайкалзолотопроект» и ВостокНИИВХ. Из них 53 участка – те, на которых производится отработка россыпных месторождений золота, требующих устройства руслоотводных и нагорных каналов, и 29 – участков водотоков, на которых предполагается устройство искусственных русел в каких-либо других целях (например, для мелиорации, защиты от наводнений и др.).

Из рассмотренных образцов гранулометрических составов 43 отнесены к гравийным и 39 – к галечниковым грунтам. Средний диаметр ( d _ср ) находится в пределах от 4,38 до 68,19 мм для гравийных грунтов и от 10,06 до 111,72 мм для галечниковых. Грунты классифицированы как неоднородные [1]. На рисунке 1 показано пространственное местоположение рассматриваемых объектов.

Рис. 1. Карта-схема местоположения пунктов отбора образцов гранулометрических составов на территории Забайкальского края

Согласно нормативным требованиям [5], искусственные русла должны проектироваться из условия неразмываемости:

н , (1)

где и – средняя скорость течения в устраиваемом русле; и – неразмывающая скорость, т.е. такая предельная скорость, при которой еще не происходит перемещения частиц грунта, слагающего устраиваемое русло.

Одним из критериев для назначения неразмывающей скорости является так называемый средневзвешенный диаметр грунта d _ср , основная доля которого в рассмотренных нами случаях принадлежит промежутку от d до d .

Однако, как отмечено в работе [3], даже если искусственное русло запроектировано на неразмывающую скорость, за счет неоднородности грунта происходит вымывание мелких фракций. При этом отдельные частицы грунта диаметром менее dср могут перемещаться по- током, а самые мелкие из них (диаметром d ) способны перейти во взвешенное состояние. Это приводит к тому, что нижележащая часть водотока будет испытывать неблагоприятное воздействие наносов.

Так, в результате анализа возможности устройства искусственных русел для рассматриваемых участков установлено [2]:

• 1)    вследствие значительных уклонов пойм в Забайкалье, в создаваемых искусственных руслах зачастую имеют место скорости течения, превышающие допустимые нормативные значения (54 из 82 рассмотренных случаев), что приводит к необходимости проведения тех или иных технических мероприятий для достижения условия (1);

• 2)    возможный вынос взвешенных веществ с 1 м² поверхности устраиваемых искусственных русел составляет от 0,770 до 51,8 кг ( М =10,51 кг/м² ), диаметр взвешенных частиц от 0,311 до 1,755 мм ( d _{взв . ср} =0,700 мм ).

Для того чтобы уменьшить влияние размыва, следует предложить технические и технологические решения по снижению выноса взвешенных частиц при вводе в эксплуатацию искусственных русел.

Авторами предложен способ повышения сопротивляемости размыву гравийногалечниковых грунтов, заключающийся в изменении фракционного состава обрабатываемого слоя грунта по вертикали [4].

Предлагается проведение обработки поверхности искусственного русла устройством, рабочий орган которого представляет собой нож с гребенкой 1, укрепленный на раме 2 (рис. 2). Устройство прикрепляется за тягачом, в качестве которого может выступать любая колесная или гусеничная техника.

Рис. 2. Схема обработки поверхности грунта

При движении по обрабатываемой поверхности нож врезается в грунт на заданную глубину (не менее толщины расчетного слоя – трех средних расчетных диаметров). В качестве среднего расчетного диаметра принят средний диаметр грунта ложа канала, отвечающий устойчивости против размыва расчетной скоростью течения.

Форма зубьев и наклон гребенки таковы, что в процессе обработки поверхностного слоя грунта первыми сыплются вниз частицы размером d d _{ср . расч} , затем частицы размером d d , а частицы с диаметром d d переваливаются через гребенку, оказываясь на поверхности слоя обработки.

В результате обработки происходит увеличение среднего диаметра фракций грунта расчетного слоя за счет удаления под расчетный слой мелких частиц, что, в свою очередь, уменьшает содержание Р . Данный способ также позволяет увеличить допустимую скорость в устраиваемых руслах и снизить затраты на их строительство.

С увеличением количества проходов ( N ) механизма промежуточные значения среднего диаметра грунта d ср . j после каждого j -го прохода будут возрастать и в пределе могут достичь некоторого максимального значения, в качестве которого можно принять d    d .

Причем увеличение среднего диаметра будет носить затухающий характер, т.е.:

dd

ср . j + 1         ср . j d d max       max

Соответственно, при увеличении N отношение j -го среднего диаметра к максимальному будет (рис. 3) стремиться к единице:

d ср . j

max

Рис. 3. Относительное изменение d ср . j в зависимости от количества проходов

При описании данного процесса с учетом (2) и (3) в качестве прототипа использована зависимость, описывающая относительное изменение j -го среднего диаметра в зависимости от количества проходов, которая в общем виде выглядит следующим образом:

dср. j    1     dср.0

b ' N^{a '} e ,

dd maxmax где dср 0 – средний диаметр грунта до начала обработки; a ’ и b ’ – поправочные коэффициен- ты, зависящие от качественных и количественных характеристик гранулометрического состава.

После определенного количества проходов необходимо выполнение гранулометрического анализа грунта поверхностного слоя для контроля значений среднего диаметра. Кроме того, после обработки защищаемого от размыва слоя грунта по предлагаемому способу, рекомендуется уплотнение гладкими катками для упрочнения разрыхленной поверхности.

Кроме того, после определенного количества проходов необходимо выполнение гранулометрического анализа грунта поверхностного слоя для контроля значений среднего диаметра.

Для проверки и подтверждения предлагаемого способа была проделана следующая экспериментальная работа.

В помещении инженерно-экологического факультета ЗабГУ (корпус ВХ) сооружен лоток высотой 33, шириной 60 и длиной 400 см (рис. 4). В лоток насыпан слой грунта, толщиной t =25 см , с поймы р. Чита (Читинка), район Пожарка, г. Чита. Грунт определен как неоднородный гравийный со средним диаметром, равным d _ср =15,1 мм .

Сконструированное устройство представляет собой двуосную металлическую тележку с квадратным основанием (400х650 мм ), движущуюся на колесиках диаметром 12 см по горизонтальным направляющим (уголок 50х50). На тележку для предотвращения переворачивая помещен груз, масса которого определена опытным путем и составила 130 кг .

Рис. 4. Общий вид установки

Рис. 5. Форма гребенки

В качестве тягового устройства использован тельфер фабричного производства марки «ЭЛ-72400», мощность электродвигателя 800 Вт, установленный на стальной вертикальной станине с упорными укосинами, изготовленными из стального уголка 50х50. Тяговое усилие передается тележке через трос диаметром 4 мм .

Рабочий орган установки – гребенка с ножом (рис. 5) изготовлен из стального полотна толщиной 2 мм и жестко прикреплен к основанию тележки.

Размеры опытного образца гребенки:

ширина – 310 мм ;

общая высота – 150 мм , из которых 50 мм приходится на нож и 100 мм – длина зубьев;

наибольшая ширина зубьев – 30 мм ;

наименьшая ширина зубьев – 10 мм .

Для получения более точных результатов по длине лотка выделено три точки, в которых брались пробы до обработки, и после каждого из трех проведенных проходов (всего 12 гранулометрических анализов). После каждого j -го прохода полученные по точкам i -ные значения средних диаметров dср .ij усреднялись, поэтому в дальнейших расчетах ис- пользовались значения среднего диаметра по каждому проходу (например dср. j

d d

ср . j ).

max

После проведения анализа грунт помещался обратно с условием сохранения образующегося вертикального распределения фракций.

Первоначальная поверхность грунта (до обработки) выровнена. На поверхности наблюдалось значительное количество мелких частиц, что представляет собой наиболее неблагоприятный момент в плане возможного размыва.

Таблица 1

Определение доверительных интервалов заданной надежности

Проход	dср . ij Значение      по точкам d max			dср . j Среднее значение d max за j -ый проход	Точность оценки 5^	Доверительный интервал 99%-ной надежности
	№1	№2	№3
0	0,350	0,347	0,350	0,349	0,00258	(0,346;0,352)
1	0,397	0,400	0,416	0,404	0,01522	(0,389;0,420)
2	0,435	0,442	0,438	0,438	0,00523	(0,433;0,444)
3	0,459	0,458	0,460	0,459	0,001490	(0,458;0,460)

После обработки поверхности в течение трех проходов по одному следу средний диаметр грунта оказался равным d =19,8 мм (увеличение диаметра составило 30%). При этом частицы, способные перейти во взвешенное состояние ( d ), загрязняя при этом водоток, оказываются погребенными слоем отмостки, образованным фракциями размером d dср.расч .

По результатам гранулометрического анализа (табл. 1) определено относительное изменение d при увеличении количества проходов, а также доверительные интервалы с 99%-ной надежностью.

Для рассматриваемого грунта коэффициенты a и b определялись таким образом, чтобы отклонения экспериментальных и теоретических данных были минимальными, а значит, коэффициент детерминации R ² стремился к единице.

В таблице 2 показаны результаты расчетов при значениях а = 0,70 и У =0,088.

Результаты подбора значений a и b

Таблица 2

№ п/п	Проход	d Значение    р . d max		Отклонение теоретических данных от экспериментальных, %
		Теоретические данные	Экспериментальные данные
1	0	0,349	0,349	0
2	1	0,409	0,404	-0,0397
3	2	0,437	0,438	-0,524
4	3	0,458	0,459	0,559
				Σ=-0,00388

При данных значений а и У коэффициент детерминации R2 =0,9983, что, согласно шкале Чеддока, соответствует функциональной характеристике связи экспериментальных и теоретических данных.

Для рассматриваемого грунта зависимость (4) приобретает вид:

d .

ср . j

d max

d ср .0

d max

0,088 N ^0,7

.

На рисунке 6 показана высокая сходимость экспериментальных и теоретических значений и доверительные интервалы с надежностью, равной 0,99.

После проведения обработки на поверхности грунта может остаться некоторое количество мелких фракций. Это вызвано налипанием их на крупные частицы вследствие статического электричества и вероятной влажности. Однако при первых пропусках воды по устраи- ваемому руслу эти мелкие фракции будут смываться с крупных частиц, оказываясь затенен-

Рис. 6. Результаты проведения обработки

Предложенная технология применена при проектировании и реализации водохозяйственных мероприятий, предусмотренных проектной документацией «Рабочий проект «Расчистка и углубление русла реки Ингода в с. Улеты Забайкальского края»», выполненной Восточным филиалом ФГУП РосНИИВХ в 2009 г.