Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Гидротехническое строительство

Диссертационная работа:

Медведев Сергей Сергеевич. Совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.07 / Всерос. науч.-исслед. ин-т гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова.- Москва, 2007.- 257 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/613

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы. Для обеспечения проектирования, строительства и надежной, безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений на реках, транспортирующих наносы, совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений является актуальной проблемой, решение которой должно базироваться на современных разработках в области теории руслового процесса. За последнее десятилетие при эксплуатации гидротехнических сооружений значительное их количество вышло из строя и стало представлять реальную экологическую и социальную опасность. Высокие паводки на больших и малых реках, наводнения в крупных сельскохозяйственных и промышленных регионах, имеющих высокую плотность населения, делают проблему защиты и обеспечения надежного функционирования гидротехнических сооружений, в том числе на гидромелиоративных системах, чрезвычайно актуальной.

Для большинства оросительных систем России водозабор производится из равнинных рек, транспортирующих значительное количество взвешенных и донных наносов, которые, осаждаясь в оросительных каналах, снижают их пропускную способность, а увеличение размывающей способности потока приводит к размыву русла. При очистке оросительных каналов возникает проблема утилизации и размещения выбираемого грунта. При эксплуатации многочисленных подводных переходов газо- и нефтепроводов и других гидротехнических сооружений наблюдаются большое число отказов из-за наружной коррозии труб, механических повреждений и других дефектов, обусловленных оголением и провисанием трубопроводов вследствие развития русловых деформаций. Средняя интенсивность отказов за последние 10 лет составила 0,39 случая на 1000 км газопроводов в год. На ликвидацию аварийных состояний подводных переходов ОАО «Газпром» затрачивает ежегодно более 5 млрд. рублей, а затраты на очистку ирригационных систем от наносов составляют 0,5-0,6 млрд. рублей в год.

Причины возникновения аварийных ситуаций и разрушения речных и мелиоративных сооружений связаны с ошибками проектирования, которые возникают из-за неверных оценок переформирования русел и пойм. Достоверную оценку технической и экологической безопасности гидросооружений получить довольно сложно из-за нарушения естественного хода руслового процесса, вызванного гидротехническим вмешательством в жизнь реки и оттеснением руслового и пойменного потоков выправительными сооружениями.

Вопросы управления твердым стоком в ирригационных каналах и защита речных гидротехнических сооружений входят в круг задач, решаемых в рамках одной проблемы, связанной с изучением русловых процессов.

Анализ существующих методов защиты каналов ирригационных систем и русел рек на участках подводных переходов трубопроводов от размыва (методы крепления берегов и дна гибкими синтетическими материалами, засыпки и укладки заполненных грунтом контейнеров, возведение местных русловыправительных сооружений и др.) показывает их малую эффективность из-за неоднозначного характера последствий, вызванных локальным воздействием защитных мероприятий на естественное развитие руслового процесса. Более эффективные методы защиты основаны на концепции динамически устойчивого русла. Для реализации этой концепции необходимо разработать и теоретически обосновать методы расчета русловых деформаций и технологию формирования динамически устойчивого русла.

Анализ состояния проблемы свидетельствует о необходимости развития и углубления теоретических представлений и экспериментальных исследований влияния русловых процессов на устойчивость гидротехнических сооружений. В связи с этим актуальным является совершенствование и создание новых критериев безопасности и методов диагностики технического состояния и защиты гидротехнических сооружений на размываемых и заиляемых участках русел водотоков, включая мониторинг, ситуационный анализ, прогнозирование, методы расчета и технологию формирования динамически устойчивого русла.

Цели и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование теории русловых процессов, разработка способов формирования динамически устойчивого русла, методов расчета русловых деформаций и методов защиты речных и мелиоративных сооружений от негативных процессов размыва и заиления русел для повышения надежности их функционирования и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

- выполнить анализ проблемы эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений, методов расчета руслового потока и деформации русел, а также существующих способов защиты гидросооружений от негативных последствий размыва и заиления русел;

- усовершенствовать теорию русловых процессов для двухфазного потока жидкости, создать математическую модель, связывающую транспортирующую способность потока с деформациями русла;

- разработать методику расчета размыва русел, в которой учитывается связь транспортирующей способности потока с размывом русла;

- разработать методы диагностики и прогнозирования состояния подводных переходов трубопроводов в период их эксплуатации;

- сформулировать принципы и разработать технологию создания динамически устойчивого русла;

- предложить способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на принципах формирования динамически устойчивого русла, и методы расчета параметров защитного слоя из крупных фракций грунта (отмостки) для предотвращения размыва русла;

- сформулировать систему способов защиты гидросооружений ирригационных систем с регулированием режима транспорта наносов в каналах.

Объектом исследования являются речные и гидромелиоративные сооружения, русловые участки в зонах технических коридоров подводных переходов трубопроводов через реку Обь и Алешкинскую протоку, а также через реки Надым, Вятка, Сура, Белая (Краснодарского края). Предмет исследования – влияние русловых процессов в зоне деформированных участков рек и каналов на устойчивость гидротехнических и мелиоративных сооружений.

Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических, экспериментальных и натурных исследований. Теоретической и методологической основой выполненных исследований являются классические труды Н.В. Гришанина, Е.А.Замарина, В.В. Пославского, М.В.Потапова, Г.А.Тер-Абрамянца, А.Г.Хачатряна, Х.Ш. Шапиро и других отечественных и зарубежных ученых. В исследованиях использовались разработки в области гидротехники, гидрологии, гидравлики русловых потоков, динамики сплошных сред, аналитического и численного моделирования.

Методика, оборудование и аппаратура, используемые при производстве гидрометрических измерений на участках подводных переходов через водотоки соответствовали требованиям существующих нормативных документов. Обработка данных экспериментальных и натурных исследований проводилась с использованием статистических программ и численных методов.

Научная новизна исследований состоит в разработке эффективных методов защиты гидросооружений, методик инженерных расчетов и технологий, в том числе:

- разработаны новые положения теории насыщения потока разнофракционными грунтами, полученные расчетные зависимости применены в практике проектирования, строительства и эксплуатации речных и гидромелиоративных сооружений;

- впервые теоретически обоснована и подтверждена натурными исследованиями, выполненными автором, методика прогноза деформаций русел рек и каналов в зоне влияния гидротехнических сооружений;

- предложена новая концепция защиты подводных переходов трубопроводов, основанная на выполнении русловыправительных работ гидромеханизированным способом и формировании динамически устойчивого русла;

- предложен метод диагностики состояния подводных переходов трубопроводов, позволяющий планировать эффективную стратегию их эксплуатации и своевременно проводить профилактический ремонт сооружений (взамен дорогостоящего капитального);

- разработан принципиально новый метод защиты каналов оросительных систем от заиления, обеспечивающий регулирование режима транспорта наносов и позволяющий снизить осаждение взвешенных частиц в сооружениях ирригационных систем.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Теоретическое положение о наличии связи между скоростью размыва дна песчаного русла и скоростью диффузии частиц из придонного слоя, подтвержденное результатами натурных исследований.

2. Методика прогнозирования размыва русел рек и каналов, основанная на теории насыщения потока разнофракционными наносами и связи размыва дна с транспортирующей способностью потока.

3. Методика расчета и технология формирования динамически устойчивого русла, включая метод создания защитного слоя намыва из наиболее крупных фракций грунта.

4. Методика диагностики технического состояния подводных трубопроводов с использованием коэффициента безопасности.

5. Методика регулирования режима транспорта наносов в каналах ирригационных систем.

6. Способ защиты русел водотоков от размыва на участках подводных переходов трубопроводов, основанный на формировании динамически устойчивого русла путем одновременного выравнивания поля скоростей водного потока и восстановления естественной отмостки (патент РФ № 2108424).

Достоверность научных результатов. Теоретический подход, используемый для вывода уравнения связи между транспортирующей способностью потока и размывом дна, базируется на общих уравнениях динамики сплошных сред (при наложении ряда условий: малые концентрации твердых частиц в потоке, равенство коэффициентов диффузии однородного двухфазного потока и отсутствие взаимодействия между твердыми частицами). Выдвинутое научное положение (в форме гипотезы) о наличии пропорциональной связи между скоростью размыва дна и скоростью диффузии частиц из придонного слоя было подтверждено результатами экспериментальных исследований автора, а также данными, опубликованными в научной литературе.

Достоверность предложенной методики прогноза русловых деформаций подтверждена результатами натурных исследований полей скорости и мутности, а также данными разновременных русловых съемок в период 1989-2002 гг. на участках технических коридоров через р. Обь (п. Андра) и Алешкинскую протоку, через реки Надым и Вятка.

Обоснованность методики формирования динамически устойчивого русла подтверждена результатами многолетних (13 лет) натурных наблюдений. Данные русловой съемки, проведенной до и после формирования динамически устойчивого русла, и их анализ позволили доказать высокую эффективность предлагаемого способа защиты подводных переходов трубопроводов.

Практическая значимость исследований. Диссертационная работа направлена на решение крупной народно-хозяйственной проблемы, связанной с обеспечением защиты гидросооружений от негативных последствий развития русловых процессов и созданием условий для безаварийной эксплуатации подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.

Предложенная методика прогнозирования размыва речного русла рекомендуется к использованию во всех областях гидротехнического строительства, в частности, при проектировании, строительстве и эксплуатации противопаводковых защитных сооружений, мостов, струенаправляющих дамб, подводных переходов трубопроводов и каналов ирригационных систем.

Способ защиты подводных переходов трубопроводов, основанный на создании динамически устойчивого русла и защищенный патентом (№ 2108424) реализован при проведении ремонта 18-ниточного перехода магистрального газопровода через р. Обь, что позволило получить экономический эффект 189,9 млн.руб. (в ценах 1999 г.). Экономический эффект от внедрения способа диагностики технического состояния и новой технологии защиты подводных переходов трубопроводов через Алешкинскую протоку составил 284,6 млн.руб. (в ценах 1999 года).

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, определении направлений совершенствования теоретических разработок, участии в изысканиях, проведении длительных натурных экспериментов, системной обработке и анализе результатов, создании моделей и выполнении модельных расчетов, разработке методик для практического использования при проектировании, строительстве и эксплуатации гидросооружений, а также в разработке технических решений, практических выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном Гидравлическом Конгрессе (МАГИ, С.Петербург, 2002 г.), на Всероссийском гидрологическом съезде (2004г.), на технических совещаниях ОАО «Газпром» (1997-2004 гг.), на II-ой Международной конференции «Обслуживание и ремонт газонефтепроводов» (ОАЭ, Дубаи, 2004 г.), на научно-практических конференциях ВНИИГиМ и МГУП (1990-2004 гг.). Научно-технические разработки экспонировались на Международных выставках (Таиланд, Бангкок, 2004; Иордания, Амман, 2005, 2006).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, в том числе, в журналах по Перечню ВАК 7, защищены патентами (№ 2108424, № 2115785 и а.с. №1587120).

Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 254 стр., включая введение, 6 глав, выводы, список литературы и приложения. Диссертация содержит 187 стр. основного текста, 27 таблиц, 29 рисунков. Библиография включает 290 наименований, в том числе, 40 иностранных источников.

Подобные работы
Афанасьев Владимир Петрович
Разработка и совершенствование методов расчета ледовых нагрузок на вертикальные сооружения шельфа от морских ледовых образований
Иванов Владимир Михайлович
Совершенствование теории и методов расчета гидродинамических воздействий за водосбросными сооружениями
Лисичкин Сергей Евгеньевич
Развитие теории и совершенствование методов расчета массивных железобетонных и напорных сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений
Рогачко Станислав Иванович
Развитие методов расчета волновых и ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения
Будикова Айгуль Молдашевна
Совершенствование метода расчетного обеспечения эксплуатационной надежности сетевых гидротехнических сооружений мелиоративных систем, возводимых на просадочных основаниях
Гегиев Касболат Адальбиевич
Совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования грунтовых плотин и дамб с закрытыми водопропускными сооружениями
Ляхевич Роман Анатольевич
Совершенствование методов фильтрационного расчета земляных плотин с учетом их анизотропной водопроницаемости
Пириев Айдын Юнус оглы
Разработка методики расчета доковых конструкций гидротехнических сооружений на действия статических, динамических и температурных воздействий
Самбурский Георгий Александрович
Совершенствование технологии противоэрозионной защиты откосов сооружений гидропосевом трав
Головня Евгений Владимирович
Совершенствование конструкций водовоздушных промывных устройств сетчатых рыбозащитных сооружений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net