Развитие теории, методов расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением

Актуальность проблемы. Гидротехнические каналы и защитно-регуляционные сооружения являются самыми древними, распространенными и протяженными сооружениями. Вместе с тем обеспечение пропускной способности больших каналов, зарегулированных русел и надежной защиты прибрежных зон в период половодий и паводков является серьезной проблемой для многих регионов мира. Ежегодно значительные территории попадают под затопления и размыв, в результате этого причиняется огромный ущерб экономикам различных стран. Только по регионам Северного Кавказа каждый год, приносимый материальный ущерб от паводков рек достигает полутора миллиардов рублей.

Существующие методы расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел не в полной мере позволяют в процессе проектирования подобрать оптимальные параметры их сечений и разработать эффективные конструкции креплений последних. Для каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением вообще отсутствуют научно обоснованные методы их проектирования. Применяемые в настоящее время конструкции облицовок и защитно-регуляционных сооружений нуждаются в совершенствовании и адаптировании к природной среде, а также в разработке природоохранных технологий их возведения. Научная проблема состоит в необходимости:

— разработки теории и методологии гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

— совершенствовании природно-технических систем с помощью биопозитивных конструкций для регулирования русел и защиты прибрежных зон с учетом геоморфологических условий рек.

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» и ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова», а также согласно Межведомственной координационной программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2006 — 2010 годы, и заданию 07 «Разработка научно-методической основы и технологии экологически безопасного водопользования в АПК и эффективного функционирования мелиоративных и водохозяйственных систем».

Цель работы заключалась в разработке методологии расчетного обоснования и проектирования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, и научных основ проектирования биоинженерных систем защитно-регуляционных креплений.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие основные задачи:

— изучить и исследовать существующие методы расчетного обоснования каналов и русел с полигональным поперечным сечением, осуществить и сделать комплексный анализ получаемых результатов, на предмет их достоверности и пригодности для практического использования;

— разработать научные основы и методологию гидравлических расчетов каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

— исследовать гидравлические характеристики каналов с полигональным поперечным сечением и с различным числом симметричных откосов т2, тз, т^.Шг) и шириной понизу ь > о, установить влияние полигональной формы поперечного сечения канала на гидравлические условия и эффективность его работы;

— осуществить мониторинг и комплексный анализ гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел призматического профиля (прямоугольных и трапецеидальных) в натурных условиях, найти конструктивные и технологические решения для приведения их к полигональному поперечному сечению;

— выполнить экспериментальные натурные исследования надежности работ защитно-регуляционных сооружений авторской разработки в условиях предгорных и равнинных участков рек, определить факторы и критерии эффективности их работы с учетом геоморфологических особенностей и гидрологических условий мест их расположения;

— провести полевые натурные исследования на транзитном участке селепро-водящего русла р. Герхожансу с целью выявления природного механизма формирования динамически устойчивого русла с поперечным сечением, очертания которого близки к гидравлически эффективному полигональному сечению;

— разработать методологию и критерии оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов и зарегулированных русел;

— разработать методику и математические модели расчетного обоснования энергетических каналов с полигональным поперечным сечением, имеющих несколько откосов различного заложения (т¡-, Ш2 и тз), а также ширину понизу Ь > О;

— разработать теоретические модели и методику гидравлического и технико-экономического расчетов мелиоративных каналов с полигональным поперечным сечением и различным по высоте сечения числом симметричных откосов (т], т2, тз) я шириной понизу Ъ > О;

— получить аналитические зависимости для определения критических глубин, а также усовершенствовать метод гидравлического расчета лотковых каналов с полигональным поперечным сечением с неравномерным режимом движения воды;

— разработать методику регулирования небольших участков рек и расчетного обоснования параметров их наивыгоднейших поперечных сечений;

— разработать биопозитивные конструкции сооружений для регулирования русел природно-технических систем защиты и восстановления прибрежных нарушенных зон с учетом геоморфологических и гидрологических условий;

— развить теорию и методологию расчетного обоснования и проектирования каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

— разработать научные основы проектирования и последующего возведения защитно-регуляционных сооружений предлагаемых конструкций для русел рек и каналов, а также защиты прилегающих к ним территорий. Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

— теория и методология расчетного обоснования каналов и зарегулированных русел полигонального профиля;

— методы проектирования и расчетного обоснования транзитных лотков полигонального профиля, и система оценок их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности в условиях бурного режима движения воды;

— модели и методы гидравлического и технико-экономического расчетов гидротехнических каналов с полигональным поперечным сечением различного назначения;

— методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел.

— конструктивные и технологические решения биоинженерных систем регулирования русел и защиты прибрежных зон.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработаны научные основы и общие методологические подходы к расчетному обоснованию каналов и зарегулированных русел призматического профиля с учетом геоморфологических условий их прохождения;

— получены новые расчетные зависимости и критерии, наиболее точно характеризующие полигональные сечения и позволяющие выполнить с высокой достоверностью гидравлические расчеты каналов и зарегулированных русел;

— разработаны научные основы и методика оптимизации полигональных сечений гидротехнических каналов;

— разработаны теоретические модели и методы гидравлического расчета энергетических каналов с симметричными и несимметричными полигональными поперечными сечениями;

— теоретически получены новые расчетные зависимости для определения критических глубин каналов с полигональным поперечным сечением и на их основе усовершенствована методика гидравлического расчета лотковых каналов, работающих с неравномерным режимом течения;

— исследованы в натурных условиях новые типы защитных креплений и регуляционных сооружений, конструкции которых предложены автором диссертации, определены параметры и критерии эффективности и надежности их работы;

— разработаны и внедрены в практику новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русел;

— предложена усовершенствованная система оценок гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов и русел с полигональным поперечным сечением.

— на основе концепции экологизации природно-технических систем получены новые конструктивные и технологические решения, подтвержденные патентами РФ, для биоинженерных систем регулирования русел, защиты и восстановления прибрежных и нарушенных зон. Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена 30 патентами, авторскими свидетельствами и положительными решениями на изобретения Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Достоверность теоретических, разработанных автором положений подтверждена сходимостью аналитических предпосылок и результатов экспериментальных и натурных исследований, проведенных на действующих магистральных каналах предгорной зоны КБР, а также на предгорных и равнинных участках рек Северного Кавказа.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

— новые методы гидравлического расчета каналов полигонального профиля различного назначения, позволяющие повысить достоверность результатов и сократить объем расчетов более чем в два раза;

— расчетные модели, позволяющие использовать современные вычислительные системы проектирования каналов и русел полигонального профиля;

— рекомендации по повышению гидравлической эффективности, экологической безопасности и эксплуатационной надежности каналов и зарегулированных русел с полигональным поперечным сечением;

— рабочие проекты берегоукрепительных сооружений, выполненные с использованием новых технических решений, авторской разработки;

— методические рекомендации по проектированию конструкций защитно-регуляционных природоохранных сооружений;

— новые методы регулирования и расчетного обоснования коротких участков русл;

— биоинженерные системы регулирования русел и защиты прибрежных зон, позволяющие восстановить природный саморегулирующийся механизм рек и естественный ландшафт прибрежных зон.

Реализация результатов исследований.

Разработанные новые методы гидравлического расчета каналов и регулирования русел полигонального профиля приняты к внедрению в производство проектными и водохозяйственными организациями: ОАО «Севкавгипро-водхоз», ОАО «Даггипроводхоз»., ООО Научно-производственная фирма «Берег» и ФГБУ «Каббалкмелиоводхоз», ФГУ «Запкаспводхоз», ФГУ «Дагводресурсы». Эти методы внедрены и в учебные процессы высших образовательных учреждений КБГСХА, МГУП и ДГТУ. Новые технические решения по проектированию берегозащитных и русло-регулировочных сооружений прошли производственную проверку 1991.

2009 годах на реках Северного Кавказа — на разных участках р. Терек, на р. Черек, на р. Чегем, на р. Нальчик, на р. Самур и на ряде других рек. Личное участие автора в получении результатов диссертационной работы выразилось в постановке проблем и генерировании основных идей и путей их разрешенияпланировании, подготовке и проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также в анализе их результатов. Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено: на научно-технических советах проектных, научных и производственных организаций ОАО «Севкавгипроводхоз», ОАО «Каббалкгипроводхоз», ОАО «Дагги-проводхоз», ФГУ «Дагводресурсы», ФГУ «Запкаспводхоз», ФГОУ ВПО КБГСХА, в комитете Водных ресурсов КБР в 1998;2006 ггна кафедрах Гидравлики и ГТС МГУП в 2007.2011 гна международной научно-технической конференции по селям в ОАО «Севкавгипроводхоз» (г. Пятигорск, 2003 г) — на Всероссийской научно-практической конференции МЧС РФ (г. Москва, 2003, 2004 гг.) — на Всероссийских и международных конференциях в ФГОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2003 и 2011 гг) — на Всероссийской научно-практической конференции по селям (г. Нальчик, 2005 г.) — на Всероссийских научно-практических конференциях, проходивших в Западно-Каспийском БВУ, ДГТУ, НГМА, КБГСХА, г. Махачкала, 2006 г, г. Нальчик 2007 г, г. Элиста 2008гна международной конференции «Проблемы мелиорации и воспроизводства почвенного плодородия» КубГАУ г. Краснодар, 2008гна международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», г. Волгоград, ВолГАСУ и др. 23−24. 04.2009 г.- на научно-технических конференциях КБГСХА в 1995 — 2011 годына научно-практических конференциях МГУП в 2003 — 2011 годына международной выставке в г. Сочи — 2010 г. Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит свыше 60 наименований, в т. ч. 30 изобретений и 16 статей опубликованы в центральных и региональных научно-технических журналах из перечня ВАК: «Гидротехническое строительство», Вестник ВолгГАСУ «Строительство и архитектура», «Мелиорация и водное хозяйство», «Экология и промышленность РФ», «Известия» Вузов. Технические науки СКР, «ЮГ РОССИИ», «Природообустройство» МГУП. Общий объем публикаций свыше 25 п.л.