Розробка методики розрахунку та аналізу параметрів пропуску повені та хвилі прориву із врахуванням топографічних та гідравлічних неоднорідностей річища

It has been established that the most likely period of breakthrough wave occurrence is the time of spring flooding or heavy rain when water-head facilities are subjected to significant loads that lead to the collapse of their individual elements or the entire structure. In addition, the possibility of man-made accidents that can occur at any time cannot be ruled out. It has been proven that breakthrough wave formation depends on the nature of the destruction or the overflow through a water-head facility. For the study reported in this paper, a model of the kinematics of riverbed and breakthrough flows was used, which is based on the equations of flow, washout, and transport of sediments that are averaged for the depths of the stream. The differential equations describing the nonstationary flow averaged for depth are solved using the numerical grid system FST2DH (2D Depth-averaged Flow and Sediment Transport Model), which implements a finite-element method on the plan of a riverbed's topographic region. These tools are publicly available, which allows their wide application to specific loads and boundary conditions of mathematical models. The construction of an estimation grid involving the setting of boundary conditions and the use of geoinformation system tools makes it possible to simulate the destruction of a culvert of the pressure circuit and obtain results for a specific case of an actual riverbed and a water-head facility. It has been established that there is a decrease in the speed of wave propagation along the profile, from 3 m/s to 1 m/s. The impact of bottom irregularities, the effect of floodplains, and the variety of bottom roughness have also been assessed, compared to the results of their calculation based on one-dimensional models given in the regulatory documents. Hydraulic calculations were carried out taking into consideration the related properties of the main layer of the floodplain, which consists of peat accumulations, and the heterogeneity of the depths and roughness of floodplain surfaces of soils. It has been established that there is almost no erosion of supports in the floodplain zone in this case. It was found that as the distance between the flow and breakthrough intersection increases, there is a decrease in the height of the head from 2.1 m to 1.25 m.Установлено, что наиболее вероятным периодом возникновения волны прорыва является время весеннего половодья или значительного ливня, когда водонапорные сооружения подвергаются значительным нагрузкам, приводящим к разрушению целиком или отдельных элементов. Также нельзя исключать возможность техногенных аварий, которые могут произойти в любое время. Доказано, что формирование волны прорыва зависит от характера разрушения или перелива расхода через водонапорное сооружение. Для исследований использована модель кинематики русловых и прорывных потоков, построенная на базе уравнений скоростей потока, размыва и транспорта наносов, усредненных по глубинам потока. Дифференциальные уравнения, описывающие нестационарное усредненное по глубине течение, решаются с помощью численной сеточной системы FST2DH (2D Depth-averadged Flow and Sediment Transport Model), реализующей метод конечных элементов на плане топографического участка русла. Построена расчетная сетка с заданием предельных условий с использованием средств геоинформационной системы (указанные средства находятся в открытом доступе и позволяют широкое применение их к конкретным нагрузкам и предельным условиям математических моделей). Проведено моделирование разрушения водопропускного сооружения напорного контура, что позволило получить результаты для конкретного случая реального русла и водонапорного сооружения. Установлено, что происходит уменьшение скорости распространения волн вдоль профиля с 3 м/с до 1 м/с. Оценено влияние неровностей дна, влияние поймы и шероховатости дна, сравнить их с результатами расчетов по одномерным моделям, приведенным в нормативных документах. Проведены гидравлические расчеты с учетом связанных свойств основного слоя поймы, состоящей из торфяных накоплений, и неоднородности глубин и шероховатости пойменных поверхностей грунтов. Установлено, что размыва опор на пойменной зоне в этом случае практически отсутствуют. Установлено, что с удалением потока от пересечения прорыва наблюдается понижение высоты напора с 2,1 м до 1,25 мВстановлено, що найбільш вірогідним періодом виникнення хвилі прориву є час весняної повені чи значної зливи, коли водонапірні споруди піддаються значним навантаженням, що призводять до їх руйнування цілком, чи окремих елементів. Також не можна виключати можливість техногенних аварій, які можуть статися у будь-який час. Доведено, що формування хвилі прориву залежить від характеру руйнування чи переливу витрат через водонапірну споруду. Для досліджень використано модель кінематики руслових та проривних потоків, що побудована на базі рівнянь швидкостей потоку, розмиву та транспорту наносів, які усереднені по глибинам потоку. Диференціальні рівняння, що описують нестаціонарну усереднену по глибині течію, вирішуються за допомогою чисельної сіткової системи FST2DH (2D Depth-averadged Flow and Sediment Transport Model), яка реалізує метод скінченних елементів на плані топографічної ділянки річища. Зазначені засоби знаходяться у відкритому доступі та дозволяють широке застосування їх до конкретних навантажень та граничних умов математичних моделей. Побудова розрахункової сітки із заданням граничних умов та використанням засобів геоінформаційної системи уможливлює провести моделювання руйнування водопропускної споруди напірного контуру, та отримати результати для конкретного випадку реального річища та водонапірної споруди. Встановлено, що відбувається зменшення швидкості поширення хвиль вздовж профілю з 3 м/с до 1 м/с. Оцінено також вплив нерівностей дна, вплив заплави та розмаїття шорсткості дна, порівняно їх із результатами розрахунків за одновимірними моделями, що наведені у нормативних документах. Проведено гідравлічні розрахунки з врахуванням зв’язаних властивостей основного шару заплави, яка складається із торфових накопичень, та неоднорідності глибин та шорсткості заплавних поверхонь ґрунтів. Встановлено, що розмиви опор на заплавній зоні у такому випадку практично відсутні. Встановлено, що із віддаленням потоку від перетину прориву спостерігається пониження висоти напору з 2,1 м до 1,25

Прогнозування деформацій в зоні впливу мостового переходу на підставі запропонованої математичної моделі заплавного потоку

To develop the methods for predicting deformations on floodplain areas in the zone of influence of bridge crossings, a mathematical model of a suspended flow with grass vegetation was developed. The problem of calculating the hydrodynamic fields of velocities and pressure in artificially compressed flows refers to the theory of shallow water since the vertical size (flow depth) is substantially smaller than the horizontal dimensions, such as length and width. In accordance with this, the proposed model is based on the equation of distribution of velocity structure and the depth of a floodplain flow in approximation to two-dimensional dependences taking into consideration force factors. Force factors determine resistance at flowing around vegetation in floodplain areas and resistance of washout of fine-grained soil.To obtain an unambiguous solution of the considered problem, boundary and initial conditions were added to the presented closed system of original equations. These conditions make it possible to determine the level of a free surface of flow and the zone of influence of a bridge crossing at different stages of the estimated flood. Based on finite-difference analogs of transfer equations, the distribution of velocities and depths in estimated sections was calculated. By iteration, the longitudinal velocity in a flood flow with vegetation elements was determined. The results of the calculation of washout on floodplain areas of a sub-bridge watercourse of the lowland river Siversky Donets were obtained. The depth of a flood flow after a washout was determined based on the ratios of actual and flood-free velocities. When compared with the initial bottom marks, the washout of the larger floodplain is 0.96 m, that of the smaller floodplain – 1.28 m.The proposed scientifically substantiated solution for ensuring optimum interaction of floodplain flows with bridge crossings makes a certain contribution to improving the reliability of their operation due to the quality of design works and the corresponding reduction of construction and operating costsДля разработки методов прогнозирования деформаций на пойменных участках в зоне влияния мостовых переходов разработана математическая модель взвесенесущего потока с травяной растительностью. Задача расчета гидродинамических полей скоростей и давления в искусственно сжатых потоках относятся к теории мелкой воды, поскольку вертикальный размер (глубина потока) существенно меньше горизонтальных размеров, длины и ширины. В соответствии с этим, предложенная модель основывается на уравнении распределения скоростной структуры и глубины пойменного потока в приближении к двумерным зависимостям с учетом силовых факторов. Силовые факторы обуславливают сопротивление при обтекании растительности на пойменных участках и сопротивление размыву мелкозернистых грунтов.Для получения однозначного решения рассматриваемой задачи представленной замкнутой системой исходных уравнений добавлены начальные и граничные условия. Эти условия позволяют определить уровень свободной поверхности потока и зону влияния мостового перехода на разных этапах прохождения расчетного паводка. По конечно-разностным аналогам уравнений переноса рассчитано распределение скоростей и глубин в расчетных створах. С помощью итераций определена продольная скорость в установившемся пойменном потоке с элементами растительности. Полученные результаты расчета размыва на пойменных участках подмостового русла равнинной реки Северский Донец. Глубина пойменного потока после размыва определяется на основе соотношений действительной и не размывающей скоростей. При сравнении з начальными донными отметками размыв большей поймы составляет 0,96 м, меньшей поймы – 1,28 м.Предложенное научно-обоснованное решение по обеспечению оптимального взаимодействия пойменных потоков с мостовыми переходами вносит определенный вклад в повышение надежности их функционирования за счет качества проектных работ и соответствующего снижения строительно-эксплуатационных расходовДля розробки методів прогнозування деформацій на заплавних ділянках в зоні впливу мостових переходів розроблена математична модель зависенесного потоку з трав’яною рослинністю. Задача розрахунку гідродинамічних полів швидкостей та тиску в штучно стиснутих потоках відносяться до теорії мілкої води, оскільки вертикальний розмір (глибина потоку) суттєво менший від горизонтальних розмірів, довжини та ширини. Відповідно до цього запропонована модель ґрунтується на рівнянні розподілу швидкісної структури та глибини заплавного потоку в наближенні до двовимірних залежностей з урахуванням силових факторів. Силові фактори обумовлюють опір при обтіканні рослинності на заплавних ділянках та опір розмиву дрібнозернистих ґрунтів.Для отримання однозначного розв’язку розглядуваної задачі до представленої замкнутої системи вихідних рівнянь додані граничні і початкові умови. Ці умови дозволяють визначити рівень вільної поверхні потоку та зону впливу мостового переходу на різних етапах проходження розрахункового паводка. За скінченно-різницевими аналогами рівнянь переносу розраховано розподіл швидкостей та глибин в розрахункових створах. За допомогою ітерацій визначено поздовжню швидкість в усталеному заплавному потоці з елементами рослинності. Отримані результати розрахунку розмиву на заплавних ділянках підмостового русла рівнинної річки Сіверський Донець. Глибина заплавного потоку після розмиву визначається на основі співвідношень дійсної та нерозмивної швидкостей. При порівнянні з початковими донними відмітками розмив більшої заплави становить 0,96 м, меншої заплави – 1,28 м.Запропоноване науково-обґрунтоване рішення з забезпечення оптимальної взаємодії заплавних потоків з мостовими переходами вносить певний вклад в підвищення надійності їх функціонування за рахунок якості проектних робіт та відповідного зниження будівельно-експлуатаційних витра

Predicting Deformations in the Area of Impact Exerted by A Bridge Crossing Based on the Proposed Mathematical Model of A Floodplain Flow

To develop the methods for predicting deformations on floodplain areas in the zone of influence of bridge crossings, a mathematical model of a suspended flow with grass vegetation was developed. The problem of calculating the hydrodynamic fields of velocities and pressure in artificially compressed flows refers to the theory of shallow water since the vertical size (flow depth) is substantially smaller than the horizontal dimensions, such as length and width. In accordance with this, the proposed model is based on the equation of distribution of velocity structure and the depth of a floodplain flow in approximation to two-dimensional dependences taking into consideration force factors. Force factors determine resistance at flowing around vegetation in floodplain areas and resistance of washout of fine-grained soil.To obtain an unambiguous solution of the considered problem, boundary and initial conditions were added to the presented closed system of original equations. These conditions make it possible to determine the level of a free surface of flow and the zone of influence of a bridge crossing at different stages of the estimated flood. Based on finite-difference analogs of transfer equations, the distribution of velocities and depths in estimated sections was calculated. By iteration, the longitudinal velocity in a flood flow with vegetation elements was determined. The results of the calculation of washout on floodplain areas of a sub-bridge watercourse of the lowland river Siversky Donets were obtained. The depth of a flood flow after a washout was determined based on the ratios of actual and flood-free velocities. When compared with the initial bottom marks, the washout of the larger floodplain is 0.96 m, that of the smaller floodplain – 1.28 m.The proposed scientifically substantiated solution for ensuring optimum interaction of floodplain flows with bridge crossings makes a certain contribution to improving the reliability of their operation due to the quality of design works and the corresponding reduction of construction and operating cost

Devising A Procedure to Calculate and Analyze Parameters for Passing the Flood and Breakthrough Wave Taking Into Consideration the Topographical and Hydraulic Riverbed Irregularities

It has been established that the most likely period of breakthrough wave occurrence is the time of spring flooding or heavy rain when water-head facilities are subjected to significant loads that lead to the collapse of their individual elements or the entire structure. In addition, the possibility of man-made accidents that can occur at any time cannot be ruled out. It has been proven that breakthrough wave formation depends on the nature of the destruction or the overflow through a water-head facility. For the study reported in this paper, a model of the kinematics of riverbed and breakthrough flows was used, which is based on the equations of flow, washout, and transport of sediments that are averaged for the depths of the stream. The differential equations describing the nonstationary flow averaged for depth are solved using the numerical grid system FST2DH (2D Depth-averaged Flow and Sediment Transport Model), which implements a finite-element method on the plan of a riverbed's topographic region. These tools are publicly available, which allows their wide application to specific loads and boundary conditions of mathematical models. The construction of an estimation grid involving the setting of boundary conditions and the use of geoinformation system tools makes it possible to simulate the destruction of a culvert of the pressure circuit and obtain results for a specific case of an actual riverbed and a water-head facility. It has been established that there is a decrease in the speed of wave propagation along the profile, from 3 m/s to 1 m/s. The impact of bottom irregularities, the effect of floodplains, and the variety of bottom roughness have also been assessed, compared to the results of their calculation based on one-dimensional models given in the regulatory documents. Hydraulic calculations were carried out taking into consideration the related properties of the main layer of the floodplain, which consists of peat accumulations, and the heterogeneity of the depths and roughness of floodplain surfaces of soils. It has been established that there is almost no erosion of supports in the floodplain zone in this case. It was found that as the distance between the flow and breakthrough intersection increases, there is a decrease in the height of the head from 2.1 m to 1.25 m