СПОСОБ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ В РАЙОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD FOR LABORATORY STUDIES OF RIVER FLOWS IN THE CIVIL WORKS AREA

Изобретение относится к области гидравлических испытаний и касается лабораторного моделирования речных потоков в районе строительных сооружений.
Лабораторные методы исследования и гидравлическое моделирование давно и широко используются в гидротехнической практике при проектировании, строительстве и эксплуатации строительных сооружений (см., например, «Устройство для испытаний модели морского инженерного сооружения» по пат. РФ №2308397, МПК B63B 9/02, опубл. 20.10.2007; «Опытовый бассейн для испытаний моделей морских инженерных сооружений» по пат. РФ №2308397, МПК B63B 9/02, опубл. 23.07.1996). Указанные аналоги предназначены для гидромеханических испытаний моделей судов и морских инженерных сооружений в неподвижной воде.
Недостатком методов является отсутствие средств, позволяющих имитировать движения водных потоков, вследствие чего они не могут быть использованы для лабораторных гидравлических исследований речных потоков.
Известен способ моделирования обтекания водой буксируемого тела, описанный в пат. РФ № 2013285, МПК B63B 9/02, опубл. 17.04.1991. Согласно способу в лабораторном гидролотке создают поток воды, который, обтекая модель буксируемого тела, образует поле пониженного давления, фиксируемое на батарейном манометре. Одновременно снимают показания тензометрических датчиков, позволяющих с учетом начальных показаний определить нагрузку на модель буксируемого тела. В результате определяют силы притяжения буксируемого тела и его секций по отдельности к дну водоема, для чего пересчитывают модельные результаты на натурные.
Недостатком способа является отсутствие средств, позволяющих производить исследование параметров водного потока при возникновении на его пути препятствий в виде строительных сооружений.
Среди известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения по технической сущности и назначению является способ лабораторных исследований речных потоков в районе размещения строительных сооружений, описанный в пат. РФ № 2737238, МПК G01M 10/00,B63B 9/02, опубл. 26.11.2020. Способ – прототип основан на проведении исследований динамики речного потока на лабораторной установке, содержащей открытый гидролоток, устройство регулируемой подачи воды, устройство регулирования уровня воды, водосборный резервуар и измерительно-вычислительную аппаратуру. С помощью устройств регулирования подачи и уровня воды устанавливался заданный гидрологический режим, тождественный режиму исследуемого речного потока на рассматриваемом участке. Далее устройствами измерительной аппаратуры проводились измерения кинематических характеристик потока, которые в цифровом виде подавались на вычислительное устройство.
Недостатком способа является отсутствие возможностей исследования в лабораторных условиях влияния существующего речного потока на рельеф дна в районе предполагаемого строительства гидротехнических сооружений.
Заявляемое изобретение позволяет решить проблему лабораторных исследований влияния речных потоков на рельеф дна в районе размещения строительных сооружений при различных параметрах обтекающих объекты потоков.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе лабораторных исследований речных потоков в районе размещения строительных сооружений, (основанном также как и прототип на проведении исследований на лабораторной модели водного потока, выполненной в виде открытого гидролотка, устройства регулируемой подачи воды, устройства регулирования уровня воды, водосборного резервуара и измерительно-вычислительной аппаратуры, и включающем создание на моделируемом участке гидролотка с размещенной на нем модели строительного сооружения заданного гидрологического режима, тождественного режиму речного потока на исследуемом участке, последующие измерения кинематических характеристик потока в районе размещения лабораторной модели строительного сооружения и подаче измеренных результатов в цифровом виде на вычислительное устройство), в отличие от прототипа дно гидролотка на моделируемом участке по всей его ширине и высотой не менее 20 см равномерно заполняют калиброванным песком с диаметром частиц в пределах 0,1÷0,4 мм,   пропускают водный поток с заданным гидрологическим режимом в течение 1,5-2-х часов, затем воду из гидролотка сливают самотеком, после чего измеряют параметры образовавшегося песчаного рельефа с шагом измерений не менее 20мм в поперечном и продольном направлениях, по измеренным данным скоростей течения воды и размерам углублений и выступов рельефа в районе размещения модели строительного сооружения с помощью вычислительного устройства строят трехмерную картину подобия рельефа в районе планируемого размещения строительного сооружения.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем.
Как указывалось выше, исследования влияния речных потоков на характер и размеры размывов и намывов русла реки в районе размещения строительных объектов, проводились на базе лабораторной установки, одним из главных достоинств которой является обеспечение геометрического подобия модели и исследуемого реального объекта. Лабораторная модель речного дна была воспроизведена с учетом гранулометрического состава грунта в естественной среде, коэффициента искажения подвижности наносов и размеров песчаных фракций при пересчете результатов моделирования деформаций дна и расхода наносов на натурные условия. Исходя из опыта изучения картины реальных размывов (при пересчете на модель максимальная глубина ≈ 10 см) была выбрана высота засыпаемого грунта (песка) в гидролотке ≈ 20 см. В процессе проведения экспериментов по скорости и глубине реального речного потока был установлен требуемый расход и уровень воды в лотке и достигнут установившийся равновесный режим, при котором форма и размеры размывов в окрестностях строительного сооружения оставались бы практически постоянными. Расчетное время достижения такого режима было определено по формуле  и составило с запасом 1,5-2 часа. Для сохранения сформировавшегося во время водотока рельефа дна на моделируемом участке, слив воды из гидролотка производился самотеком, что заняло ≈ 12 часов.  Измеренные данные (кинематические характеристики потока и параметры рельефа) позволили построить трехмерную картину рельефа деформированного участка дна для последующего составления прогноза о возможных образованиях намывов и размывов русла реки вблизи строящегося объекта и принятию мер по устранению или уменьшению этого явления. Установка позволяет проводить исследования по выбору оптимальной формы строительного объекта и расположению по отношению к нему дополнительных конструкций, повышающих обтекаемость сооружения и препятствующих изменению кинематики речного потока в районе расположения объектов и, соответственно, изменению рельефа дна русла реки.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача – возможность проведения лабораторных исследований влияния речных потоков на рельеф дна в районе размещения строительных сооружений при различных параметрах обтекающих объект потоков – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидравлических испытаний не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение лабораторной установки, на которой был реализован предлагаемый способ;
на  фиг. 2 – фотоизображение рельефа дна в районе размещения модели строительного сооружения.
Предлагаемый способ был реализован на лабораторной установке (фиг.1), смонтированной на базе руслового лотка кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» с длиной русловой части – 40,0 м; шириной – 2,0 м; высотой стен – 0,8 м; возможным расходом воды – до 100 л/с. Установка представляет собой открытый гидролоток 1, участок дна которого ( 6м) равномерно заполнен калиброванным песком 2. В средней части участка по продольной оси гидролотка 1 размещена модель строительного сооружения 3, выполненная в масштабе 1:50 к натурным размерам сооружения. Установка также включает: устройство регулируемой подачи воды в гидролоток, состоящее из напорного бака с треугольным водосливом 4, установленное в конце гидролотка 1 устройство регулирования уровня воды, выполненное, например, в виде плоского щита, с регулируемой высотой, водосборную емкость и измерительно-вычислительную аппаратуру. В состав измерительной аппаратуры кроме приборов, измеряющих кинематические характеристики потока (устройств измерения уклонов водной поверхности; направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений; скоростей течений в различных точках поперечного сечения потока, распределенных по ширине и глубине потока; направлений и траекторий придонных скоростей течений в различных придонных точках поперечного сечения потока см. пат. РФ № 2737238) входит шпиценмасштаб 5 с ценой деления 0,1 мм, измеряющий параметры рельефа дна. Шпиценмасштаб 5 монтируют на металлической раме, установленной на стенках гидролотка 1 с возможностью перемещения последней в продольном направлении лотка, при этом сам шпиценмасштаб 5 выполнен с возможностью перемещения вдоль рамы.
В процессе исследований экспериментальным путем определялись гидравлические характеристики водного потока и параметры деформаций речного дна в районе русловых опор проектируемого мостового перехода в г. Благовещенск при различных вариантах его конструкции и расположения в створе опор ледорезного устройства. Для проведения гидравлических исследований на лабораторной установке в масштабе 1:50 был воспроизведен приустьевый участок реки Зея длиной 250 м (500 см в масштабе на модели), модель русловых опор (короб с размерами 392 × 252 мм) с продольной осью, расположенной на центральной продольной оси лотка и передней (напорной) грани, расположенной на расстоянии 225 см от начала исследуемого участка. Расстояние выбиралось из условия установления равномерной структуры потока и распределения скоростей по ширине русла на подходе к модели опоры. При моделировании дна исследуемого участка реки был использован кварцевый песок с диаметром частиц не менее 0,1 мм и не более 0,4 мм, исходя из условия достаточной подвижности и механизма движения донных наносов в лабораторной установке.
Устанавливался необходимый расход воды, контролируемый по треугольному водосливу, определяющему заданный гидрологический режим, тождественный режиму реки Зеи на исследуемом участке. После установки режима проводились измерения гидравлических характеристик потока, обтекающего модель (уклонов водной поверхности; направлений, траекторий и скоростей поверхностных течений; скоростей течений в различных точках поперечного сечения потока, распределенных по ширине и глубине потока; направлений и траекторий придонных скоростей течений в различных придонных точках поперечного сечения потока). Через 1,5 – 2 часа подача воды в лоток прекращалась. Из лотка вода сливалась самотеком, обнажая дно в окрестностях модели со сформировавшейся структурой размывов  (фиг.2). После слива воды с помощью шпиценмасштаба 5 в поперечном и продольном направлениях определялись  размеры и локализация размывов и намывов на дне потока с шагом измерений не менее 20мм. По данным измерений отметок поверхности дна была построена трехмерная картина подобия рельефа в районе планируемого размещения строительного сооружения, позволяющая оценить рельеф, сформировавшийся в результате обтекания потоком размещенных в русле конструкций для последующего анализа результатов.
Изобретение было создано специалистами кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в ходе научно-исследовательских работ. Лабораторная установка была смонтирована на базе руслового лотка Гидротехнической лаборатории Университета. Сопоставление натурных и модельных исследований динамики речного потока показали соответствие абсолютных величин натурных и модельных параметров потока и подтвердило адекватность и работоспособность изготовленной модели.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».