Антиэрозионное устройство

Изобретение относится к устройствам для защиты оснований искусственных сооружений от местных размывов и может быть использовано в дорожно-транспортном, гидротехническом и гидромелиоративном строительстве. Устройство содержит элемент защиты опоры от местного размыва, имеющий возможность передвигаться вдоль опоры по мере развития общего размыва. Оно имеет криволинейные боковые стенки с рассекателем, охватывающие сооружение с двух сторон, выполненные заодно с неразмываемым фальшдном из искусственного материала с возможностью сужения захватываемой ими части потока до миделева сечения опоры и последующего расширения от миделева до концевого сечения, причем фальшдно имеет в верховой части поперечные сечения с уклоном i_n от плоскости симметрии, переходящие затем в сечения с поперечным уклоном в сторону плоскости симметрии, принимающим в миделевом сечении нулевое значение, при этом низовая, ниже миделева сечения, часть поверхности дна выполнена симметрично верховой, а боковые стенки и фальшдно выполнены в соответствии с выражениями:

y_j = y_j(x) - текущая поперечная координата криволинейной боковой стенки;

z_j = z_j(x) - текущая вертикальная координата;

где X - размерная продольная координата; Х₀ - длина половины участка; х - безразмерная координата; В - начальная ширина; b - ширина в миделевом сечении; y_i(x) - план придонных линий тока; z(x) - продольный профиль граничной линии тока; z_дна(х)=Z(x) - h; i₀ - продольный уклон дна водотока; i_n - поперечный уклон фальшдна; h - текущая глубина потока по вертикали; H - начальная глубина набегающего потока; u₀ - текущая скорость в начальном сечении; u - текущая скорость в произвольной точке, Ψ = 10 - число расчетных слоев, на которые разбивается отсек потока. Изобретение увеличивает экономичность, безопасность и надежность функционирования сооружений. 6 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для защиты оснований искусственных сооружений типа мостовых опор или оголовков водозаборов от местных размывов и может быть использовано в автотранспортном, гидротехническом и гидромелиоративном строительствах.

Известно устройство для борьбы с местными размывами у мостовых опор отсыпкой рваного камня [1, 2], укладкой специальных призм из камня или синтетического материала в виде откидных плетеных матов [3], а также устройством каменных укреплений типа rip-rap [4]. Были предложены системы щитов, вызывающих циркуляционные течения, способствующие отклонению перемещения донных наносов к опоре с целью ее засыпки и т.п. [5].

Их недостатками являются:

1. Большинство из них имеют пассивный характер действия, то есть направлены на ликвидацию последствий уже состоявшегося местного размыва, например засыпки воронки размыва рваным камнем, сооружения каменных банкетов.

2. Защитные устройства активного действия, то есть направленные на устранение причин, вызывающих образование местных размывов, например щиты Потапова, сами подвержены местным размывам и т.п.

3. Главный общий недостаток - игнорирование необходимости устранения изначальной причины возникновения местных размывов.

Известно, что причиной, приводящей к развитию местных размывов оснований мостовых опор с верховой их стороны, является развитие при их обтекании специфической придонной зоны с интенсивными возвратными течениями, образованием подковообразного вихря. Эти течения, в свою очередь, вызваны отрывом пограничного слоя под влиянием положительного продольного градиента давления в указанной зоне.

Предлагалось применять элемент защиты опоры от местного размыва в описанной зоне в виде диска, выполненного с возможностью скольжения вдоль опоры, который укладывается на дно так, что закрывает всю описанную зону, подверженную размыву диаметром, равным трем диаметрам опоры. Однако при наличии общего размыва или малых зазоров между дном и щитом местный размыв развивается в полной мере [3, 5, 6]. Это устройство можно считать ПРОТОТИПОМ.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении экономичности и надежности эксплуатации важной части мостовых переходов, мостовых опор, а также оголовков водозаборов.

Поставленная задача решается следующим образом, в антиэрозионном устройстве, содержащем боковые стенки с рассекателем, охватывающие опору с двух сторон, выполненные с возможностью сужения захватываемой ими части потока до миделевого сечения опоры и последующего расширения части потока в низовой части опоры, и фальшдно из искусственного материала, имеющее в верховой части поперечные сечения с уклоном i_n от плоскости симметрии, переходящие в сечения с поперечным уклоном в сторону плоскости симметрии и принимающим в миделевом сечении нулевое значение, а ниже миделева сечения часть поверхности фальшдна выполнена симметрично верховой, при этом фальшдно и боковые стенки выполнены с учетом параметров потока в соответствии с выражениями (1)-(8):

где X - размерная продольная координата,

Х₀ - длина половины участка,

х - безразмерна координата,

В - начальная ширина,

b - ширина в миделевом сечении,

y_i(x) - план придонных линий тока,

z(x) - продольный профиль граничной линии тока,

z_дна(х)=z(х) - h,

i₀ - продольный уклон дна водотока,

h - текущая глубина потока по вертикали,

Н - начальная глубина,

u₀ - скорость в начальном сечении,

u - текущая скорость,

Ψ - число расчетных слоев, на которые разбивается отсек жидкости (рекомендуется назначать Ψ=10),

i_n - поперечный уклон.

Предлагаемое устройство не просто пассивно закрывает зону развития местного размыва от воздействия подковообразного вихря на грунтовое основание в окрестности сооружения (как в ПРОТОТИПЕ), а своей формой активно воздействует на параметры течения потока в зоне развития местного размыва и заставляет его трансформироваться таким образом, что вместо отрыва пограничного слоя и образования подковообразного вихря происходит плавное обтекание верховой части опоры.

Других технических решений подобного рода, известных из уровня техники, авторами обнаружено не было. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "НОВОЕ".

Использование совокупности отличительных признаков для повышения надежности эксплуатации подобных устройств авторами обнаружено не было. Таким образом, можно сделать вывод, что предложение имеет изобретательский уровень.

Предложенное изобретение поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена схема антиэрозионного устройства для гидроактивного воздействия на поток в придонной зоне вблизи от мостовой опоры;

- на фиг.2 представлен план устройства с показом его четверти. Линии со стрелками показывают очертания траекторий потока безотрывно обтекающего опору

- на фиг.3 показан каркас модели устройства;

- на фиг.4 приведено фото модели устройства;

- на фиг.5 приведено фото с визуализацией зоны размыва у мостовой опоры (светлая зона перед опорой, не заполненная красящим веществом - зона возвратных течений);

- на фиг.6 приведено фото с визуализацией обтекания предлагаемого антиэрозионного устройства. Отсутствие просветлений перед опорой свидетельствует о полном отсутствии зоны возвратных течений, являющейся причиной образования местных размывов.

Устройство состоит из охватывающей мостовую опору 1 (см. фиг.1, 3, 4) с двух сторон боковой криволинейной стенки 5, фальшдна 6 с формой двоякой кривизны, поперечные сечения которого сначала имеют понижение в сторону от плоскости симметрии 7, а затем, наоборот, повышение в том же направлении. Боковая стенка 5 в вершине имеет рассекатель 4. Фальшдно можно расчленить на четыре части, подобные друг другу. План четвертинки предлагаемого устройства представлен на фиг.2.

Устройство работает следующим образом. Набегающая на мостовую опору 1 часть отсека потока с шириной 2b и высотой h_ст рассекателем 4 делится на две части, обтекающие опору 1 с двух сторон. Непроницаемые боковые стенки 5 и неразмываемое фальшдно 6 благодаря своей конфигурации оказывают на выбранный отсек такое силовое воздействие, что он плавно отклоняется и безотрывно обтекает опору (фиг.2) без образования специфической зоны отрыва с возвратными токами. При достигаемом с помощью предлагаемого устройства обтекании мостовой опоры местный размыв у нее образоваться не может.

На фиг.3-4 показаны каркас модели и сама модель. После расчета с использованием зависимостей (1)-(8) изготовляются шаблоны фальшдна, которые устанавливаются в соответствующих поперечниках и имеют необходимые поперечные уклоны i_n. Затем на полученный каркас (фиг.3) навешиваются боковые стенки. Полученная конструкция омоноличивается каким-либо легким искусственным материалом. При необходимости омоноличивается и пространства между боковыми стенками (как показано на фиг.4). Оно может оставаться и неомоноличенным. Если требуется, то в этом месте оставляют сквозные отверстия для пропуска самой опоры - цилиндрической (как показано на фиг.4) или иной формы. Количество отверстий может быть и большим в зависимости от числа колонн в ряду. Предлагаемое устройство будет защищать от местного размыва всю усложненную опору целиком.

На фиг.5 средствами визуализации течения демонстрируется образование зоны отрыва (возвратных течений), приводящее к местному размыву.

На фиг.6 показано обтекание модели предлагаемого антиэрозионного устройства без малейших признаков возникновения зоны возвратных течений, что подтверждает основную гипотезу о возможности ликвидации изначальной причины, приводящей к эрозии грунта.

Изобретение промышленно применимо, так как может быть использовано в автотранспортном и гидротехническом строительстве, при строительстве мостовых переходов в составе автомобильных и железных дорог.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Журавлев М.М. Местный размыв у опор мостов. М.: Транспорт. 1984. 112 с.

2. Гельфер А.А. Причины и формы разрушения гидротехнических сооружений. Л. - М.: ОНТИ, 1936, 320 с.

3. Tanaka S.M. Local scour around a Circular cylinder // Proceedings Twelfth Congress of JAHR. 1967. v.3. Colorado. Pp.193-201.

4. Duarte C.A., Sainz J.A. Riprap at bridge piers // Journal of Hydraulic Research. 1999, vol.37. №3. Pp.291-302.

5. Пышкин Б.А. Защита мостовых опор от размыва // Строительство дорог. 1945. №3.

6. Kitagawa M. another. Study on scour protection methods for large bridge foundation under strong tidal current // Добоку гаккай ромбунсю. 1991. №4388. Pp.61-70.

Антиэрозионное устройство, содержащее элемент защиты опоры от местного размыва, имеющий возможность передвигаться вдоль опоры по мере развития общего размыва, отличающееся тем, что оно имеет криволинейные боковые стенки с рассекателем, охватывающие сооружение с двух сторон, выполненные заодно с неразмываемым фальшдном из искусственного материала с возможностью сужения захватываемой ими части потока до миделева сечения опоры и последующего расширения от миделева до концевого сечения, причем фальшдно имеет в верховой части поперечные сечения с уклоном i_n от плоскости симметрии, переходящие затем в сечения с поперечным уклоном в сторону плоскости симметрии, принимающим в миделевом сечении нулевое значение, при этом низовая, ниже миделева сечения, часть поверхности дна выполнена симметрично верховой, а боковые стенки и фальшдно выполнены в соответствии с выражениями:

y_j = y_j(x) - текущая поперечная координата криволинейной боковой стенки;

z_j = z_j(x) - текущая вертикальная координата;

где X - размерная продольная координата;

Х₀ - длина половины участка;

х - безразмерная координата;

В - начальная ширина;

b - ширина в миделевом сечении;

y_i(x) - план придонных линий тока;

z(x) - продольный профиль граничной линии тока;

z_дна(х)=Z(x) - h;

i₀ - продольный уклон дна водотока;

i_n - поперечный уклон фальшдна;

h - текущая глубина потока по вертикали;

H - начальная глубина набегающего потока;

u₀ - текущая скорость в начальном сечении;

u - текущая скорость в произвольной точке;

Ψ = 10 - число расчетных слоев, на которые разбивается отсек потока.