автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Научное обоснование облегченных конструкций водопропускных низконапорных сооружений водохозяйственных объектов

- о /.г?

На правах рукописи

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЛЕГЧЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Белорусской сельскохозяйственной академии

Научный консультант Доктор технических наук, профессор

Э.И. МИХНЕВИЧ

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

B.C. АЛТУНИН

Доктор технических наук, профессор Ю.И. ПРАВДИВЕЦ

Доктор технических наук

Е.Г. ФИЛИППОВ

Ведущая организация - 'Союзводпроект''

Защита диссертации сосюится "73 '' апреля 1998 тода в /У часов на заседании диссертационного совета Д 120.16.01 в Московском госуда])ственном упнверситеге природообусгройства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова 19, ауд. 1/201.

С диссертацией мелено ознакомиться и библиотеке МГУП. Автореферат разослан " г/ - wapra 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических на}:<, профессор

Л.В. Яковлева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Надежное обеспечение продовольствием, сельскохозяйственным и промышленным сырьем Республики Беларусь связано с дальнейшим развитием сельскохозяйственного производства, преобразованием инфраструктуры села, восстановлением земельного фонда и защитой его от наводнений и затопления, интенсификацией использования богатейших водных ресурсов для целей водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики.

В разработанных и утвержденных правительством "Основных направлениях развития мелиорации земель и их использования в Республике Беларусь" вопрос снижения материальных затрат рассматривается одним из приоритетных направлений в проектировании, строительстве и эксплуатации (реконструкции) мелиоративных систем и водохозяйственных комплексов.

Эффективность водохозяйственных объектов во многом определяется уровнем их инженерно-технического оснащения и, в первую очередь, многочисленными водопропускными гидротехническими сооружениями, которые в комплексе с другими шгженерными сооружениями призваны обеспечить аккумуляцию стока, его распределение, управление водным режимом объекта.

Применение на эксплуатируемых и планируемых объектах водопропускных сооружений с высокой материалоемкостью и стоимо- < стью явилось одной из основных причин резкого снижения в последние годы объемов и темпов водохозяйственного строительства.

Многие годы в водохозяйственном строительстве применялись сооружения массивной конструкции. Еще в 80-е годы на возведение водосбросного сооружения низконапорного речного гидроузла на расход воды до 150 -200 м3/с требовалось до 4 тыс.м1 бетона и железобетона, а на 1 ООО га осунштельно-увлажнительной сети приходилось от 40 до 55 сооружений с расходом бетона и железобетона от 0,5 до 1,2 й3 на 1 га мелиорируемой площади. Поиски путей удешевления водопропускных сооружений привели к созданию ряда усовершенствованных типов и конструкций. Однако, несмотря га достигнутые положительные результаты, удельная материалоемкость и стоимость водопропускных сооружений остается весьма высокой. По оценке ряда институтов на строительство водопропускных сооружений приходится от 30 до 60 % стоимости всего объекта (речного гидроузла, мелиоративной системы). При этом удельные материальные затраты (на один кубометр расчетного расхода воды) составляют: для водосбросных сооружений речных низконапорных гидроузлов: бетона - 5...30 м3, арматурной стали - 0,5...3 г, для сооружений на мелиоративных каналах: бетона - 2...8 м3, арматурной стали - 0,6...2,5 т.

Сложность гидравлических явлений, разнообразие режимов движения потока через водопропускные сооружения, особенно в пространственных условиях, недостаточная изученность этих процессов не всегда дают возможность выбрать наиболее рациональную конструкцию и размеры сооружения, состоящего, как правило, из отдельных частей или модулей, что наиболее характерно для малопролетных водопропускных низконапорных сооружений. Накопленный многовековой опыт водохозяйственного строительства предлагает, в основном, традиционные методы конструктивного и расчетного обоснования средних и крупных водопропускных сооружений. Применение этих методов для низконапорных сооружений, возводимых на маловодных водотоках, не дает во многих случаях однозначных и эффективных решений.

Возможность учета многофакторных условий пространственной работы водопропускных малопролетных сооружений обеспечивает эксплуатационную надежность и экономичность многочисленных сооружений мелиоративных систем и речных гидроузлов, является решением важной народнохозяйственной проблемы и новым достижением в области научно-обоснованного расчета и проектирования в водохозяйственном строительстве.

Цель работы. Разработать на основе теоретических и экспериментальных исследований практические рекомендации по обоснованию конструкции, методологии расчета и проектирования материало-емких частей (модулей) водопропускных низконапорных сооружений с применением пространственных конструктивных форм и эффективных способов гидравлики'.

Поставленная цель включает решение следующих задач: дать обоснования по выбору типа водопропускных сооружений, способов сопряжения бьефов и способов гашения избыточной водной энергии с учетом особенностей строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов на малых водотоках;

систематизировать результаты исследований и дать практические рекомендации по методики определения гидравлических параметров потока, краевых условий формообразований на сопрягающем участке нижнего бьефа с учетом влияния режима истечения и конструктивных форм водовыпускного отверстия и сопрягающего русла;

разработать конструкцию, основы расчета и проектирования устройств нижнего бьефа с гасителями решетчатого типа для малопролетных водосбросов-водоспусков;

обосновать конструкцию и предложить методику расчета устройств нижнего бьефа, обеспечивающих эффективное гашение водной энергии путем соударения потоков для трубчатых водопропускных сооружений, возводимых на мелиоративных каналах;

разработать облегченную экономичную конструкцию, методическое и расчетное обоснование открытого водосброса (плотины) для речных гидроузлов (прудов и водохранилищ);

Научная новизна. Разработаны, научно обоснованы и экспериментально проверены облегченные конструкции водопропускных сооружений нового поколения, основанные на применении пространственных конструктивных форм , в которых наиболее полно реализуются механические свойства строительных материалов и эффективные способы гидравлики , что дает возможность существенно сократить материалоемкость и стоимость гидротехнического и мелиоративного строительства. Получили дальнейшее развитие методы определения преимущественного применения типов сооружений, конструкций отдельных их частей или модулей, способов сопряжения потока и способов гашения водной энергии; методы определения геометрических и гидравлических параметров и форм потока на участке сопряжения бьефов, учитывающие режим истечения и геометрическую форму водовыпускного отверстия, форму сопрягающего русла;

разработаны новая конструкция и методика расчетного обоснования решетчатого гасителя активного действия применительно к пространственным условиям сопряжения бьефов за малопролетными водосбросными сооружениями, включая: обоснование геометрической формы, принципиальной конструкции и области применения; гидравлику устройства как гасителя водной энергии; расчетное обоснование конструктивных параметров элементов гасителя; определение гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную плиту с установленным гасителем; обоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с решетчатыми гасителями при донном и поверхностном режимах сопряжения;

осуществлено совершенствование конструкции и методологии расчетного обоснования устройстз нижнего бьефа с применением технических средств деления потоков и гашения энергии соударением струй применительно к трубчатым малонапорным сооружениям, включая: обоснование способа деления потоков и соударения струй; определение гидравлических и геометрических параметров разделяемого потока и соударяемых струй; определение эффективности и области преимущественного применения способа деления и соударения для гашения; обоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с применением делителя потока для сопряжения бьефов и гашения энергии;

разработаны новые тип и научно-методическое обоснование водосливной плотины с решетчатым сливом и камерой гашения водной энергии, включая: определение гидравлического профиля, конструкции и геометрических параметров сооружения; методику гидрав-

лического расчета решетчатого водослива-быстротока; обоснование удельных расходов через сооружение и на рисберме; определение гидродинамических воздействий на водобойную плиту и решетчатый водослив; оценку гидравлического режима сооружения как двухъярусного водослива с камерой гашения; обоснование условий сопряжения бьефов и гашения энергии, геометрических параметров устройства нижнего бьефа.

Практическая и экономическая значимость. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Белорусской сельскохозяйственной академии, ААН РБ и является частью государственной научно-технической программы в области мелиорации и водного хозяйства Республики Беларусь, частью проблемы 0.04 "Гидротехнические сооружения на мелиоративных системах", одобренной ГКНТ СССР на 1986-1990 гт. Целевые исследования проведены по заданию Минводхоза БССР согласно Постановлению Госстроя СССР (N248 от 21.10.87), по заданию ГК Белмелиоводхоз, по заказу институтов Белгипроводхоза, Полесьегипроводхоза, Пермьгипровод-хоза, Союзводпроекта при научной координации работ БелНИИМиЛ, УкрНИИГиМ, ЮжНИИГиМ.

Предложенные новые и усовершенствованные технические решения, научно-обоснованные комплексные методы расчетного и проектного обоснования позволяют выбрать рациональный тип и запроектировать рациональную конструкцию водопропускного сооружения дая мелиоративных и водохозяйственных объектов с учетом их природных, строительных и эксплуатационных условий, моделировать направления дальнейшего развития и совершенствования перспективных конструкций.

Сформулированные в диссертации, научных статьях и научных отчетах технические решения, методы расчетов и проектирования использованы в четырех типовых проектах, разработанных Государственными проектными институтами Белгипроводхоз и Полесьегипро-водхоз:

"Типовой проект 88/318. Водосбросы открытого типа с решетчатой сливной гранью на расход воды от 100 до 250 м3/с и напором до 10 м." -Мн.: Белгипроводхоз, 1988.

"Типовые проектные решения. Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4-12 м дая прудов и малых водохранилищ". - Мн.: Белгипроводхоз, 1981.

"Типовые проектные решения. Решетчатые гасители энергии водного потока на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м". - Мн.: Белгипроводхоз, 1992.

"Типовой рабочий проект. Трубчатые регуляторы и переезды с ныряющими оголовками и плитами-растекателями". - Пинск: По-лесьегипроводхоз, 1996.

Теоретические и экспериментальные исследования легли в основу учебного пособия-монографии "Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов" (18,5 п.л.), "Облегченные конструкции водопропускных сооружений" (10 п.л.), а также используются в учебном процессе в БСХА и других учебных подразделениях водохозяйственного профиля.

Предложенные технические решения, их расчетные и проектные обоснования предназначены для ведомств и организаций, занимающихся мелиоративным и водохозяйственным строительством, включая реконструкцию и строительство новых объектов. По технико-экономическому уровню эти решения отвечают, а по ряду показателей превосходят известные мировые аналоги и могут успешно применяться на всей территории Республики Беларусь, в других регионах с существенным экономическим эффектом (до 20...30 % экономии на одном сооружении).

Основные научно-практические положения, выносимые на защиту:

новые технические решения облегченных конструкций водопропускных низконапорных сооружений массового применения, методологию их расчетного обоснования, включая:

практические решения по выбору типа водопропускных низконапорных сооружений, способов пространственного сопряжения бьефов и гашения энергии; определению параметров потока на участке сопряжения; :

теоретические, расчетные и экспериментальные обоснования решетчатых гасителей активного (реактивного) действия, включая: новые технические решения, пограничная область которых удалена при помощи гасителя от донной (русловой) поверхности в глубь потока; определение области преимущественного применения этих уст-• ройств; гидравлику решетчатых гасителей активного действия; обоснование рациональных конструктивных параметров гасителя, методику определения гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную его часть (плиту); рациональные компоновочные решения устройств НБ с решетчатым гасителем;

теорегические, расчетные и проектные обоснования устройств нижнего бьефа, работающих на принципе деления-соударения потоков, адаптированных для трубчатых водопропускных сооружений, включая: инженерно-техническое решение, обеспечивающее деление потока на выходе из водовыпускного отверстия на пропорциональные части с последующим их растеканием и соударением; определение области преимущественного применения этих устройств; гидравлику делителя-растекателя, обеспечивающего сопряжение потоков, работающего в условиях пространственной задачи; обоснование рациональной пропорциональности деления потока на части или струи, при

соударении которых обеспечивается наиболее эффективное гашение водной энергии; определение рациональных геометрических параметров гасителя и рациональных компоновочных решений устройств нижнего бьефа с их применением;

теоретические, расчетные и проектные обоснования водосливной плотины облегченного типа с решетчатым сливом и камерой гашения для речных гидроузлов, включая: новое техническое решение, выполненное в форме экономичной пространственной конструкции, в которой наиболее полно используются физико-механические свойства строительных материалов и статическая взаимосвязь системы "сооружение-среда"; гидравлику решетчатых водоскатов (водозаборов) с большим уклоном, разработанную с учетом конструктивных особенностей сооружения, методику определения рациональных геометрических параметров сооружения, определение гидродинамических воздействий на водобойную часть и элементы решетчатого слива.

Личный вклад автора в решение проблемы Диссертация является результатом многолетних исследований, проводимых автором на кафедре гидросооружений и водоснабжения факультета мелиорации и водного хозяйства Белорусской сельскохозяйственной академии, в лаборатории гидросооружений МИСИ, на натурных мелиоративных и водохозяйственных объектах.

Обоснование и постановка проблемы, формирование программы и рассмотренных задач, методического подхода к их реализации, теоретические и расчетные обоснования и анализ результатов исследований осуществлены лично автором.

Экспериментальные исследования проводились при личном постоянном участии, исполнении и научном руководстве при содействии и участии аспирантов и сотрудников научной группы, руководимой автором диссертации. '

При формулировании ряда задач и в ходе их реализации автор диссертациии получил ценные советы от проф. С.М.Слисского, проф. Н.П.Розанова, проф. Э.И.Михневича, проф. И.С.Румянцева. В выполнении гидродинамических исследований, составлении программ для ЭВМ принимали участие сотрудники ЭВЛ БСХА, и лаборатории гидравлики и гидросооружений МГУП (A.B. Мацея, А.Ю. Кузьмина).

Апробация работы Основные результаты выполненных автором исследований, приведенные в диссертации, докладывались, обсуждались и одобрены на Межведомственной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования мелиоративных земель", УНИВХ, Ровно, 1984; на Всесоюзной конференции "Применение облегченных конструкций гидротехнических сооружений в водохозяйственном строительстве", ЮжНИИГиМ, Краснодар, 1980 г.; на межведомственных научно-технических конференциях и

семинарах ЮжНИИГиМа, Новочеркасск, 1981, 1982, 1987 г.г.; на Межведомственной научно-технической конференции УкрНИИГиМа, Киев, 1983 г.; на научно-техническом Совете института Белгипровод-хоз в 1988-1992 г г.; на научно-техническом Совете института По-лесьегипроводхоз в 1987, 1992 г.г.; на НТС Союзводпроекта Минвод-хоза СССР в 1980, 1983 и 1991 г.г. (Пр. N 867); на ВДНХ СССР в 1985 г. с награждением серебряной медалью; на НТС Минводхоза БССР в 1974, 1984 г.г. и ПС Белмелиоводхоза в 1991- 1996 г.г.; на Республиканском смотре-конкурсе педагогического мастерства и научного творчества в 1994 г. (с награждением двумя дипломами I ст.); на научно-производственной конференции БГТ1А в 1984 г.; на научной конференции МИСИ в 1979 г., МГМИ в 1982 г.; на ежегодных научно-производствашых конференциях БСХА в 1968-1996 г.г.

Достоверность научных исследовании апробирована и подтверждена успешной долговременной эксплуатацией ряда объектов, запроектированных и построенных с использованием результатов НИР: "Водохранилище на р.Быстрая" Могилевской области; объекты "Бабиничи" и "Шнигы" Витебской области, объекты "Гигант" и "Арабники'' Брестской области, на водохозяйственных объектах Гомельской и Гродненской областей и др.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 42 печатных трудах автора, включая книги : "Водопропусгагые сооружения шпкопапорных гидроузлов" объемом 18,5 п.л., "Облегченные конструкции водопропускных сооружений" объемом 10 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация представлена на 436 страницах машинописного текста, включая 204 рисунка на 147 страницах, и состоит из введения, пяти частей, заключения, списка литературы из 357 наименований и приложения, оформленного отдельной книгой на 134 страницах.

СОД ЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая часть диссертации посвящена обоснованию актуальности проблемы материальных затрат при проектировании и строительстве водопропускных низконапорных сооружений массового применения на мелиоративных системах и водохозяйственных объектах, возводимых на малых водотоках; обоснованию направления дальнейшего развития и совершенствовашш рациональных конструкций, методологическому их обоснованию. В результате технико-экономического и статистического анализа более 360 типов и конструкций водопропускных сооружений, выполненных но типовым и индивидуальным проектам, получена обобщенная классификационная модель водопропускных сооружений, которая отображает специфику

водохозяйственных задач, особенности мелиоративного и водохозяйственного строительства, многообразие типов и конструкций применяемых сооружений. Установлено, что водопропускные сооружения составляют основную массу инженерных сооружений, на долю которых приходится 40...60 % стоимости всего объекта, что высокие материальные показатели водопропускных низконалорных сооружений обусловлены традиционным подходом к техническому их решению и проектному обоснованию, характерному для задач "большой" гидротехники и "линейной" гидравлики и свидетельствуют о необходимости разработки и внедрения в практику рациональных конструкций и технологий, учитывающих особенности строительства и эксплуатации малопролетных сооружений.

При разработке методологического обоснования использован системно-модульный подход, согласно которому водопропускное сооружение как сложная инженерная система отображается в дискретном (модульном) виде, где каждый модуль рассматривается в виде "автономного" устройства. Такой подход во многом упрощает решение проблемы, поскольку дает возможность вести ее осуществление на основе оптимизации конкретных видов модульного комплекса, на принципах и правилах рационального конструктивного формообразования, на эффективных способах гидравлики.

При обосновании рациональности нового технического уровня применялся способ технико-экономического сопоставления, а также соответствующие критерии оптимизации, принимаемые с учетом типа решаемых задач: коэффициент гашения энергии т]е =(Е[ - Е2УЕ1; коэффициент размываемоети русла пФ= ap/hKp; коэффициенты пропускной способности (коэффициенты расхода ш;(д); относительная глубина прыжка Tih=h2/hj; удельная стоимость сбросного расхода и его мощности: Cq = C/Q; Cq = C/q; Сы = C/N; удельные затраты материала (бетона) на единицу сбросного расхода и его мощности: Bq = Б/Q; БЧ=Б/В; Бц= Б/N и др.

При проведении исследований использовались общепринятые методы гидравлики, математическое моделирование с использованием ЭВМ. Широко применялись лабораторные и натурные исследования. Лабораторные опыты проводились на физических жестких и размываемых моделях с соблюдением геометрического, динамического и кинематического подобия с применением теории планирования эксперимента, стандартной и специальной аппаратуры. В этом же методическом разделе диссертации дается оценка точносш и достоверности результатов измерений. Особое внимание уделено моделированию местных размывов русла за водопропускными сооружениями. В работе этот вопрос рассматривается с учетом коэффициента размывающей способности потока

hm • V

К. = —2—— = idem. О)

q

Соблюдая общепршотые условия моделирования гидравлических явлений (p(Fr, Re; Ku; L..)=idem, получены следующие масштабные коэффициенты для участка местного размыва за водопропускными сооружениями:

\ = = 'ф^/Ч; (2) v

V0)(M)

где Xi, - линейный масштаб модели; Vo/(H) и Уоки) - неразмывающие скорости для материала натурного и модельного русла. Значения Xvoi принимаются с учетом сия вязкости (числа Rea) и сил тяжести (модифицированного числа Фруда-Шильдса), исходя из условия

7——53—\ > d > 75~-Xl, (4)

Р- А>

VH

V А> у

где (3 и р - характерный диаметр и плотность частиц материала модели; ро - плотность жидкости; V - кинематический коэффициент вязкости; Ун - скорость натурного потока.

Выполненная серия масштабных методических, лабораторных и натурных опытов показала хорошую сходимость результатов.

Обоснование областей преимущественного применения водопропускных сооружений низконапорных гидроузлов (ВСНГ). В результате технико-экономического анализа рассматриваемых объектов установлено, что такие параметрические их характеристики, как коэффициент створа, мощность сбросного потока, находятся в диапазоне Ь/Н=25...50; N<700 мВт, а гидроэнергетические и экономические показатели водопропускных сооружений можно выразить в таком виде: С - С/Но0,5= Г (0), где С - стоимость строительства водосброса, тыс.руб. (принятая в ценах 1984 г.); - расчетный максимальный расход, мУс; Н - расчетный напор (перепад уровней), м.

Используя эту зависимость при обработке исходных (проектных) материалов, получены сводные графики областей применения разнотипных сооружений (рис. 1.1 и рис. 1.2). Предложенный способ отличается от известных конкретностью выбора рационального проектного решения, дает возможность определить направления

дальнейшего развития и совершенствования конструкции водопропускных сооружений.

Направление дальнейших исследований. Из множества применяемых типов водопропускных сооружений выделена особая группа сооружений массового применения, которая оказывает основное влияние на технические и экономические показатели водохозяйственных объектов. Совершенствование сооружений этой группы определяет перспективу технического развития и направление научных исследований в данной области гидротехники. При определении состава сооружений этой группы использован статистический подход, в основу которого в качестве определяющих критериев положен индекс частоты практического использования сооружения и^п/Ыоб-ЮО % и коэффициент относительного объема бетона пв=^Л^общ, где щ - число сооружений данного (1-го) типа в общем аналитическом ряду ЭД -приведенный объем бетона сооружений ¡-го типа; W<)б - суммарный объем приведенного бетона сооружений всего ряда. Согласно принятой методике, в основную группу включены те сооружения, у которых наиболее высокие показатели иь а суммарная частота их применения и суммарный коэффициент относительного объема бетона составляют не менее 60.,'ЛО %. Результаты статистической обработки показали, что на низконапорных речных гидроузлах наиболее часто применяют сооружения башенного типа (29 %), ковшового типа (22 %). Третье место по частоте применения (19 %) занимают открытые русловые (пойменные) водосбросы - водосливные плотины и водосбросные шлюзы. На мелиоративных системах (каналах) основную группу составляют водопропускные трубчатые сооружения (более 60 %). Из них на долю сооружений с расходом до 10 м3/с приходится 90-95 %. Как видно, сама практика предоставила эти четыре группы сооружений как наиболее массовые, которые стали основным предметом дальнейших исследований.

Дальнейшее совершенствование водопропускных сооружений предполагает, прежде всего, совершенствование их составных частей или модулей. При этом возникает вопрос: какие типы модулей необходимо совершенствовать? По логике, совершенствовать можно и нужно все. А по существу? С точки зрения теории и практики, следует рассматривать, прежде всего, те, которые имеют важное и существенное научное и практическое значение. Но тогда возникает вопрос: как определить первоочередной объект (модуль) исследований? По каким критериям установить его значимость? Ввиду многофакторности поставленной задачи, для упрощения её решения в качестве определяющего критерия был принят экономический показатель модуля или его "экономический вес" в составе сооружения. Именно этот показатель, с практической точки зрения, является наиболее существенным. Другие факторы можно рассматривать производными первого.

Данная работа не ставила своей целью исследовать все многообразие форм и конструкций модульной системы, но показать научную и практическую значимость реализации принятой методологии на примере наиболее важных и существенных, с точки зрения автора, объектах (модулях), а именно, наиболее массовых и материалоемких. В результате сбора и систематизации технико-экономических показателей отдельных модулей в виде диаграмм установлено, что у открытых регулируемых русловых сооружений почти половина затрат (до 50%) приходится на головную часть, у ковшовых и башенных сооружений достаточно высокими остаются затраты на устройство нижнего бьефа (до 30% и больше). Примерно треть капвложений приходится на во-доогводащую (сопрягающую) часть водопропускных сооружений.

Полученные результаты послужили основанием для выбора этих модулей в качестве конкретных объектов дальнейших исследований. В данном разделе диссертации в качестве исходных задач рассмотрены: выбор типа водоотводящего (сопрягающего) модуля; обоснование способа сопряжения сбросного потока с нижним бьефом; обоснование способа гашения избыточной водной энергии в нижнем бьефе.

Более сложные и объемные проблемные вопросы вынесены в отдельные разделы, рассмотренные ниже.

Выбор конструкции водоотводящего (сопрягающего) модуг ля. У большей части гидротехнических водопропускных сооружений в качестве водоотводящих (сопрягающих) устройств чаще всего служат трубчатые водоводы (сооружения ковшовые, башенные, трубчатые регуляторы-перепады и т.п.), а также водоводы лотковые или быстротоки (сооружения открытые береговые). Возникает вопрос: какой тип сопрягающего устройства применить в конкретном случае, какую конструктивную форму принять в качестве проектного решения? Для ответа на первый вопрос можно использовать графики С' = С/Ь = 1Г (()), полученные в результате технико-экономического анализа проектных материалов и сопоставления показателей удельных (приведенных) затрат (рис. 1.3). Из графиков видно, что лотковые водоводы из монолитного железобетона экономичнее трубчатых при расходах воды (2 > 20...25 м^с, а сборные - при расходах С? > 60...70 м3/с.

Выбор рациональной формы лотка водовода - одна из оптимизационных задач проектирования. Поскольку эта задача многофакторная, для упрощения ей реализации в качестве критерия оптимизации принят удельный объем материала \^шП=ЬПш1-1 при Ртах (где Ь = % - длина смоченного периметра, Р - площадь живого сечения). В результате получены следующие зависимости для определения оптимальной площади;

для лотка прямоугольного профиля

Ртах= 0,125-Ь2, при Ь„р,=211; (5)

дня лотка трапецеидального профиля

• Ртах = 0,13ЫЛ при аорг-21°30'; (6)

для лотка полуцилиндрической (параболической) формы

Ртах-0,159 Ь2, при Ь = ТО\ (7)

где Ъ и Ь - ширина и высота лотаа; а - угол наклона стенок трапеции; г - радиус цилиндра. Если считать, что движение потока на локальном участке лотка отвечает формуле Шези, то при ¡=сопзС

Лр-ЧС'ЛГ- (8)

¡К.

co.-C.-VRr

Анализ зависимости (8) показал, что при одинаковых значениях параметра Ь (приведенных "затратах"), даже без учета дополнительного преимущественного влияния формы лотка на коэффициент Шези, пропускная способность лотков трапецеидальной формы больше, чем у рационального прямоугольного профиля, на 7%, а цилиндрической формы - на 43%. Это еще раз подтверждает о том , что несмотря на некоторую сложность цилиндрической формы, лотки этого профиля экономичнее прямоугольных. Поэтому дальнейшее развитие стройиндустрии следует направлять на совершенствование технологии и увеличение поперечных размеров лотковых конструкций параболической формы.

Определение областей преимущественного применения способов сопряжения и типов устройств нижнего бьефа. Согласно технико-экономическому анализу, материальные затраты на устройство нижнего бьефа составляют 25...45% от суммарных затрат на возведение всего водосбросного сооружения. Величина этих затрат зависит от многих условий и, в первую очередь, от принятого способа и режима сопряжения, от конструкции самого устройства.

Работы многих исследователей показывают, что на низконапорных гидроузлах, возводимых на малых водотоках, нашли широкое применение два основных способа сопряжения: отбросом струи в воронку размыва с образованием глубинного режима; сливом (выпуском) потока на крепление сопрягающего русла - водобой-рисберму с образованием донного режима сопряжения. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки. Какому способу сопряжения следует отдать предпочтение для конкретных условий? Приведенный в диссертации анализ показывает, что известные методы адаптированы для рассматриваемых типов сооружений и условий их применения, что необходима разработка более конкретных обоснований, основанных на физическом критерии оптимизации. В качестве такого критерия был принят показатель приведенных удельных затрат на устройство нижнего бьефа: Б-БщЖ, где Бпр - объем приведенного

бетона, м3; N=0,01-0^ - мощность сбросного расхода, мВт. Обобщенные результаты этой работы представлены в диссертации в виде сводных таблиц и графиков Б-^), которые показывают, что для рассматриваемой группы сооружений (рис. 1.4) область преимущественного применения устройств нижнего бьефа консольного типа лежит ниже "границы" N<3,5...4,0 МВт.

Обоснование способа гашения водной энергии за ВСНГ. Из множества факторов или критериев, определяющих область преимущественного применения способа гашения и типа гасителя, выделяют обычно два наиболее значимые: критерий или коэффициент гашения избыточной энергии Ье = (Е1 - Ег)/Ег, коэффициент затопления прыжка, который для одинаковых начальных условий можно выразить относительной глубиной г)ь= Здесь Е[ - полная удельная энергия потока в сжатом сечении; Е2 - полная удельная энергия потока за участком гашения; Ьг и Ь) - сопряженные глубины.

Для условий плоской задачи относительная глубина затопления прыжка

^=0,5■(Л/1 + 8.Рг, -1); (9)

коэффициент гашения энергии

(У1У г (10)

Е 2Пк.(2 + Рг,)

Для симметричных условий пространственной задачи, согласно ранее выполненным исследованиям автора:

Ль =0,5-

Зр + 2 Л

1 + --1

(Р+О2*!

(И)

-р + а, -Рг, -с л г т- (12)

Используя (11) и (12), получены фафики областей преимущественного применения способа гашения избыточной энергии для условий плоской и симметричной пространственной задачи, представленные на рис.1.5 в виде функции т^^п; Р) и т^Г^БгьР) для четырех частных случаев гашения энергии: на гладком водобое в гидравлическом прыжке; при гашении путем соударения потоков; с применением решетчатых гасителей; с применением шашечных гасителей. В результате установлено, что при небольших числах Фруда (РГ[< 4) наиболее эффективен способ соударения потоков, с использованием которого для пространственных условий коэффициент гашения энергии

можно увеличить в 1,5...2 раза и более, а глубину затопления прыжка уменьшить на 30...37%; при числах Рг1=2...5 эффективность гашения энергии соударением струй и дроблением (делением) потока решетчатым гасителем примерно одинаковая; при числах Фруда Рп > 4 наиболее эффективны гасители решетчатого типа.

Вторая часть диссертации посвящена дальнейшему изучению и систематизации результатов исследований гидравлических процессов и явлений в нижнем бьефе малопролетных, преимущественно трубчатых сооружений, совершенствованию методов расчетного обоснования параметров потока на участке сопряжения, учитывающих конструктивные и геометрические особенности водопропускных отверстий и пространственные условия сопряжения сбросного потока с нижним бьефом.

Несмотря на большое количество работ, посвященных нижнему бьефу, в них не нашли достаточного развития вопросы влияния геометрической формы и режима работы водопропускных отверстий, а также формы сопрягающего русла на пространственное растекание потока, на формообразования потока и режим сопряжения бьефов, что существенным образом влияет на выбор рациональной конструкции нижнего бьефа. Исследования, выполненные в рамках данного раздела, включали ряд конкретных задач: изучить процесс растекания потока и формообразовательный процесс в пространственных условиях за трубчатыми водопропускными малопролетными сооружениями с учетом режима истечения и формы водовыпускного отверстия; предложил» методическое обоснование краевых условий существования основных гидравлических форм; исследовать свободное растекание потока за водоводами и дать расчетное обоснование геометрических его параметров; дать обоснование рациональной формы сопрягающего русла.

На основе экспериментальных данных, анализа материалов исследований других авторов предлагается различать гидравлические процессы, происходящие в сужающихся руслах ф<1); в условиях плоской задачи ((3=1); в незначительно расширяющихся руслах (р<4...5); в относительно широких руслах (|3>4...5).

Для сопряжения бурного потока с нижним бьефом в относительно широком русле характерны следующие основные практического значения формы сопряжения: свободное растекание незатоп-ленной струи с образованием косых прыжков; свободное растекание с образованием прямого прыжка; сбойное течение потока; пространственный гидравлический прыжок. Во всех граничных условиях растекание потока может быть симметричное и несимметричное.

Установлено, что для случая свободного растекания потока геометрические и кинематические параметры его в каждой зоне растека-

ния зависят от относительной ширины нижнего бьефа Р=В1/Ьо, числа Фруда Рг0, начальной глубины Ьо, а также от уклона свободной поверхности струи в начальном сечении ср°. Последний параметр получил название фактора "ср". Выявлено, что фактор "ср" оказывает существенное влияние на параметры растекающегося потока и, следовательно, на условия сопряжения бьефов.

В результате обработки опытных данных получен ряд аналитических и графических (рис.2.1) зависимостей для определения границ листа растекания с учетом начального уклона свободной поверхности:

(13)

где /.р=Ьр/Ьо - относительная длина листа растекания; п, - поправочный коэффициент, учитывающий влияние свободной поверхности потока в начальном створе. Значения коэффициента щ получены на основе экспериментальных данных в виде графика п^ ф) на рис.2.2.

Для определения глубины растекающегося потока на горизонтальной плоскости (водобое) получен ряд графиков (рис.2.3) и частных решений:

за напорным водоводом при ф°=0

'о

/Х-0,47Л 0,96-X

2

за открытым (безнапорным) водосливным отверстием

г— \2

(14)

(15)

\ /

где х = Х/Ь0 • - относительное расстояние от выходного отверстия до расчетного^створа.

Приведенные зависимости апробированы при Fro=2...66; р=2*8; <р=+6°...-4°. Анализ результатов исследования показал, что неучет влияния начальных условий растекания может привести к значительным (-100%...+50%) расхождениям при оценке геометрических и гидравлических параметров потока, при определении размеров сопрягающего русла по сравнению с известными рекомендациями.

Установлено, что форма свободного растекания с образованием прямого прыжка может существовать в весьма узком диапазоне краевых условий,- h2(d) > Ьнс > h2(C), где h„5 - бытовая глубина; h^) и Ьг(с) -соответственно глубина, сопряженная с глубиной hp= hi(d> и hp = hi(C), h](d)H hi и - глубины, измеренные по оси свободно растекающегося потока в створе максимального расширения (ств. d-d) и в створе встречи косых прыжков ("С"). Эти глубины можно определить по

предлагаемым в диссертации графикам, по зависимостям (14), (15) и по формулам:

5(/1 + 8Рг(с) -1); (16)

Ът = 0,5^1 .зт2у-1); (17)

БШу = 5ш(7с/2-б); (18)

хф = (19)

где Рг(ф и Рг(сГ числа Фруда по оси потока в створе максимального расширения и в створе "С"; у - угол между фронтом прыжка и вектором скорости граничной линии тока; 5 - угол бокового расширения потока; Ка - относительная длина листа растекания. Форма сбойного бурного течения наблюдается при глубине НБ Ь2(пР)>Ьнб=11<:о>112((!), где Ьгслр) - глубина затопления бурного потока в пространственных условиях.

Исследования позволили получить данные о глубине Исе и хорошо согласующуюся с опытом зависимость

(20)

Форма затопленного пространственного прыжка образуется в результате затопления транзитной струи и трансформации ближнего бокового водоворотного течения в единый вертикальный валец, охватывающий всю ширину сопрягающего русла. Параметры затопленного пространственного прыжка для симметричных условий сопряжения получены в виде графиков

"о "о

и аналитических зависимостей (11)и(21)

^ ^ЖЕШЗ. (21)

■Чы р + 2

К=6Ь1>/рг1-1 >тп КР = 6Ь„

Для условий плоской задачи формула (21) принимает вид

чи-ь?

ч2 1. (22)

Отдельный раздел диссертации посвящен изучению сопряжения потоков в плавно расширяющемся русле, в частности, определению предельного угла бокового расширения стенок русла. За предельный принят такой угол 6/2 поворота стенки лотка относительно начального вектора скорости, при котором фронт прямого прыжка деформируется в косой прыжок, а у одной из стенок возникает открытое отрывное течение. По результатам исследований получены графики 9/2=Г(Рг0;Р) и аппроксимирующая опытные данные эмпирическая зависимость

где а - корректив количества движения.

Проведенные исследования в рамках рассматриваемого раздела позволили рекомендовать методическое и расчетное обоснования по определению рациональной формы и параметров сопрягающего русла (водобоя-рисбермы) для малопролетных водопропускных сооружений.

Третья часть диссертации посвящена исследованию, обоснованию и разработке конструкции, методов расчета и проектирования устройств нижнего бьефа с решетчатыми гасителями.

В практике пиротехнического строительства наиболее известны стационарные щелевые (гребенчатые) полы-трамплины (Уральские полы), решетчатые полы-гасители поплавкового типа и др. Гасители этого типа отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью. Наряду с достоинствами применяемые конструкции имеют ряд существенных недостатков: низкую степень гашения водной энергии из-за пассивного взаимодействия решетки со сливным потоком; недостаточное стабилизирующее, .влияние на режим сопряжения при колебании уровня нижнего бьефа и изменении сбросного расхода, что приводит к образованию сбойности, большим размывам дна и берегов отводящего русла (до 0,5... 1,5 НО [13]. Немногочисленные исследования решетчатых устройств как гасителей водной энергии носят, в основном, экспериментальный характер. Отсутствие достаточного теоретического и конструктивного обоснования, системных экспериментальных исследований явилось первопричиной ограниченного их применения на практике. Программа исследований предусматривала: разработать на основе теоретических и экспериментальных исследований принципиальную модель (конструкцию) решетчатых гасителей реактивного действия; методологию расчетного и компоновочного их обоснования для сооружений с донными (водобойными) и консольными устройствами нижнего бьефа, в которых наиболее полно и эффективно использованы преимущественные особенности этих гасителей.

(23)

Течение потока через решетку. На основе анализа известных работ, результатов экспериментальных исследований установлено, что течение потока через решетку представляет сложный физический процесс, связанный с разделением (дроблением) потока, изменением геометрических и кинематических его характеристик, образованием отрывных течений. Структурное течение потока за решеткой формируется, в основном, относительными параметрами решетки, в частности, относительной шириной ее элементов и скважностью р=8М+8, где <1 - ширина (толщина) элемента (стержня), Б - ширина просвета.

За обтекаемым телом (решеткой) формируется, как правило, два рода вихрей разной структуры и устойчивости. Наиболее устойчивыми являются регулярные, обычно двухмерные, вихреобразования, получившие названия "дорожки" Кармана. В общем случае, движение потока в следе течения может быть вихревым или турбулентным, устойчивым или неустойчивым, со слабой или интенсивной диссипацией избыточной кинетической и пульсационной энергии, с интенсивной или слабой размывающей способностью, т.е. решетчатый гаситель может работать эффективно или неудовлетворительно. Эти выводы подтверждает эксплуатация однорядных решетчатых устройств (гасителей) типа Уральских полов и плавающих решеток.

Рациональная форма и конструкция решетчатого гасителя должна удовлетворять двум главным условиям или требованиям: обеспечивать устойчивый режим движения вихревых течений при пропуске малоскоростных потоков, интенсифицируя гашение пульсационной энергии в следе течения; стабилизировать турбулентный режим течения скоростных потоков и обеспечивать интенсивное гашение их избыточной кинетической энергии. Выполнение первого условия возможно в том случае, если решетка-гаситель будет генерировать устойчивую двухмерную систему вихрей (дорожку Кармана). Отсюда следует первый важный инженерный вывод: решетчатый гаситель должен иметь не плоскую, а пространственную конструкцию, а точнее - двухрядную или двухъярусную систему (рис. 3.1). В такой конструкции, согласно критерию Кармана, расположение элементов решетки должно удовлетворять условию

К = — = 0,281, (24)

Ьб

где С - расстояние между элементами рядов или ярусов; Ьв - расстояние между элементами в ряду.

Выполнение второго условия возможно в том случае, если протекание потока через решетку будет устойчиво турбулентным. Отсюда вытекает второй инженерный вывод или инженерная задача - установить геометрические параметры элементов решетки такими, при которых обеспечивалось бы устойчивое турбулентное течение, кото-

рое возникает при числах Рейнольдса Кеа>5-105. Исходя га кинематической структуры потока в следе течения и геометрических параметров его структурных образований, можно предположить, что взаимное положение элементов решетки будет наиболее рациональным в том случае, если будет обеспечено активное взаимодействие перемежающихся (пограничных) областей смежных следов течения. Это условие можно записать в таком виде:

Ь = + = (25)

2 2 2 2 " где Ь - расстояние между элементами решетки; Вс - ширина следа течения; Уц - ширина центральной области; Уп - ширина пограничного слоя. Если принять по Кирхгофу Вс=2,4с1;

поХинцу Уц =0,6^а(х+а);

длину х = Ьс = 2(1; а = с1,

получим: у ц = о.бл/за7 = с!;

Уп= 1,2а- 0,5<1 = 0,7(1. Тогда у решедчатый гаситель должен иметь:

Ь = 1,2(1-+-0,5с1= 1,7(1; (26)

8 = Ь - с1 = 0,724с!; (27)

р=_1_ = М = 0,42; (28)

<3 + 8 1,7

и = 2Ь = 3,4с1; С =0,281-3,4(1 = 0,956. (29)

Ширина стержней должна удовлетворять условию

(30)

V

Гидравлическая решетка как гаситель энергии. При использовании гидравлической решетки как гасителя водной энергии глубины потока перед и за решеткой можно принимать как сопряженные, а

потери напора при взаимодействии потока с решеткой рассматривать как местное сопротивление. Тогда уравнение Бернулли для двух сопряженных сечений (рис.3.2,а) можно записать в таком виде:

= (31)

2ё 28 которое можно представить так:

1+£Й_ = Т1 | 1 , с рг' (32)

2 2 РЧ Р 2 '

После преобразований имеем:

3 1 22 + рг.(а1-С), 1 а^г,

2 " 2 2 Р

(33)

Решая (33), получаем зависимость для определения относительной глубины

^=2 + Рг,(а,-С;)с11^ (34)

3 3

где

здесь Ь) и Ьг; V] и У2 - соответственно глубина и скорость потока перед и после решетки; Ь\уР - потери напора на решетке, учшъшающие пространственные условия растекания; а1 и аг - коэффициенты кинетической энергии; р - относительная ширина отводящего русла; -коэффициент гидравлического сопротивления решетки; т|ь= )\1/Ъ.\ -относительная глубина потока; Рп-'У)2/^!) - число Фруда.

В диссертации приводятся достаточно полные материалы о коэффициенте сопротивления ¿¡р в виде графиков, формул, таблиц и примеров расчета; значения оц=1... 1,05 и а.2=1,15...1,2.

Техническое и методологическое обоснование решетчатых гасителей. Предложенная конструкция решетчатого гасителя является принципиально новым техническим решением (А.с. СССР 1528848). Она представляет собой двухрядную Х-образную решетку, выполненную из балочных продольно расположенных под углом к вектору скорости элементов (рис.3.3 и рис.3.4). При пространственных условиях

сопряжения решетке-гасителю придают в плане веерообразную форму. Верхние свободные концы элементов решетки образуют двухрядную гребенку (по типу дорожки Кармана), а нижние концы ее закреплены на водобойной (сливной) плите в шахматном порядке.

Для проверки теоретических решений, обоснования конструктивных параметров решетчатого гасителя были проведены специальные лабораторные исследования. Опыты проводились в условиях плоской и пространственной задачи сопряжения бьефов на физических моделях быстротока, щитовой плотины и ковшового (трубчатого) водосброса с размываемым руслом (рис.3.3; рис.3.4). При поиске рациональных параметров (элементов) гасителя использовалась методика факторного планирования эксперимента и алгоритм метода крутого восхождения (МКВ). В качестве критерия оптимизации принималась глубина стабилизированной воронки размыва ар, которую можно выразить следующей функциональной зависимостью:

аР = V; IV, ус; 11„; 1;; £;; 4; Бг...), (36)

где 1р=ар - максимальная глубина ямы размыва, измеренная от поверхности сливного пола (водобоя); £ - ускорение свободного падения; Икр - критическая глубина потока;1^, Vc - глубина и средняя скорость потока в сжатом сечении (перед решеткой); Ъи - глубина потока в нижнем бьефе, измеренная относительно отметки пола (водобоя); 1;, б! - линейные и безразмерные параметры устройства НБ с решетчатым гасителем; 4- - характеристика материала размываемой модели русла (крупность частиц грунта).

На основании результатов опытов, используя ЭВМ, получено следующее уравнение линейной регрессии:

— = 2,78 + 0,27-^ + 0,14рс-0,13~^--0,12 — -

ч к ч ^

-0,1——0,1т]„ -0,08-^-0,08аг +0,07рг. (37)

В результате реализации основной серии опытов по алгоритму МКВ и дополнительных исследований по уточнению положения минимума параметра оптимизации ар/Ц, получены следующие значения параметров рациональной конструкции устройства с решетчатым гасителем:

М1Ф = 5; ца =0,4; аг = 8°; ЫИкр = 5;

р = 0,4; в/Ькр =0,4; а2 = 18°; Ц = 1г.

Используя эти данные, можно установить некоторые их производные, например, высоту камеры-гасителя

Икм = Ьг-Ькр^йг = 5'}1кр-!з8° = 0,711кр .

Гидродинамические нагрузки, действующие на решетчатый гаситель, определялись экспериментальным путем в виде составляющих их компонентов:

Fnc = Fm ± Fnx; (38) Fry = Су р (Омид V2/2 ; (41)

Fry = Fry ± F„y; (39) FV = P'XMaJtc p «w V2/2 ; (42)

Fr(x) = Cx p fflwi V2/2 ; (40) FVy = Р'хмжс p V2/2 , (43)

где Cx и Cy - компоненты коэффициента сопротивления гасителя; Fx мшо и Р'у шке- приведенные (относительные) компоненты пульса-ционной составляющей давления; ««ид - миделево сечение; Fre и Fry - горизонтальная и вертикальная составляющая гидродинамического давления; Fm - пульсационные составляющие гидродинамического давления.

На данном этапе исследований были определены: коэффициенты сопротивления Сх и Су; стандарты пульсаций стх и сгу; относительные значения стандартов пульсации вертикальной и горизонтальной составляющих нагрузки.

С (44) 0 =_£__(46)

^ Y ' > ^ v птн / _ \ 5

УШюд

IpV^j'

Cv=_P}L-: (45) с =-Х-,. (47)

У«W

Анализ спектрально-статистических характеристик процесса воздействия потока на водобойную плиту и установленный на ней решетчатый гаситель показал, что основной вклад в дисперсию вносят низкочастотные энергонесущие колебания 1,5...2 Гц. Обработанные и систематизированные опытные данные, полученные при различных формах и режимах сопряжения (степени подтопления решетки), представлены на рис.3.6 и рис.3.7 в виде коэффициентов сопротивления решетчатого гасителя Сх={ (т^о) иСу = Г (тц,о); стандартов пульсаций ах= Г (т]|,к) и ау= Г (пь); относительных значений стандартов пульсаций стхотн= Г(т]ы;) и суотк= Г(г\ьк); ар = кстЧ = Стр/Р = С^ьО, где т^ = Ь„Л1Ш, = ЬЖ.

Установлено, что для исследованного диапазона краевых условий наибольшее значение коэффициента Сх=0,55; Су=1..6. При этом максимум Сх наблюдается при отогнанном прыжке, т.е. при Т|ь>тр<1, и максимум Су при критическом и надвинутом положении прыжка. В зависимости от режима сопряжения (степени подтопления) стандарты пульсаций колеблются В ПрСДСЛаХ." Сх отн~" 710"3...18,7-10"2; оу отн — 1,2-10"2...4,5*10'2 Наименьшая пульсационная энергия генерируется

при относительной глубине подтопления т|ьх= 1,5...2,5 или г|ь = 1,2...1,5.

Гидродинамические "линейные" нагрузки на элементы решетчатого гасителя. Поставленная задача решалась эксперим'ен- • тальным путем с использованием специальной физической модели решетчатого гасителя, в состав которого входила измерительная (пьезометрическая) балка. Разработанная конструкция балки позволила определить удельные (точечные) давления потока по длине элемента на верхнюю и нижнюю ее грани для различных режимов сопряжения и разных углах наклона решетки к горизонту (рис.3.8). При обработке результатов опытов использованы следующие безразмерные параметры: Г|х=х/Ъпр', т^Ь/Ьс', Пьв^ЬщЛи и пь^Ьщ/Ьс, где Ьпр -длина эквивалентного гидравлического прыжка, Ьс - глубина потока перед решеткой (сжатая глубина); Ьвг и Ьнг - осредненные нормальные давления потока в исследуемой точке на верхнюю и нижнюю грань балки. Используя ЭВМ, были рассчитаны уравнения связи, аппроксимирующие экспериментальные данные при а>5":

П»г = 4,85 - а(0,17 + 0,35Лх - О.ОЗльс), (48)

Пит = 6,14 - а(0,27 + 0,38т|х - 0,04пьо), (49)

ДПг = Пит - П»г = 1,29 - а(0,1 + О.ОЗт^ - 0,01тц,с). (50)

Анализ результатов исследования показал, что при малых углах наклона решетки (а<4°) преобладает пригружающая балку нагрузка, а за решеткой формируется поверхностный режим. При 16(18)>а>4(6) преобладает взвешивающая нагрузка на балку (не на плиту) и формируется смешанный поверхностно-донный режим. Если угол наклона решетки а>20°, на балке появляются знакопеременные нагрузки и неустойчивый режим сопряжения. Эти результаты совпадают с данными гидравлических исследований и подтверждают рациональность принятой конструкции решетчатого гасителя. В работе приводится методика определения расчетных нагрузок на решетку.

Практическое использование решетчатых гасителей. В диссертации приведены обширные материалы комплексных лабораторных и натурных исследований устройств нижнего бьефа водобойного (донного) и консольного типа с применением решетчатых гасителей на трубчатых и лотковых водовыпускных сооружениях (рис.3.3; рис.3.4). Исследования проводились дая наиболее сложных, а именно пространственных условий сопряжения с относительной шириной нижнего бьефа (3=2; 3; 4. Программой экспериментальных исследований предусматривалось: изучение основных форм сопряжения; определение геометрических и кинематических параметров потока за решетчатым гасителем; уточнение рациональных параметров и компоновки гасителя; оценка эффективности решетчатого гасителя. Для гасителя, установленного на водобое, статистическая обработка опытных данных с помощью ЭВМ позволила получить ряд зависимо-

стей h"(i)= fi(a°;Fr0;P); L(,)= f2(a°;Fr0;P), имеющих практическое значение. Например, зависимости дня определения глубины затопления прыжка на решетке:

для Р = 2, ль- = 1,43 Fr0°'34; для р = 3, пь- = 0,91 Fr„0-51; для р = 4, Tjh- = 0,59 Fro0-64 (51)

Длина начального участка сопряжения

т,и = 3,4Р(1-0,18Р)Рг0'25р(|-с'1ВД (52)

В результате анализа установлено, что теоретические (31)...(35) и опытные данные имеют хорошую сходимость для первого критического режима затопления. Для других форм (режимов) сопряжения необходимо вводить поправочный коэффициент (коэффициент затопления а3), численное значение которого следует принимать: для второго режима ог3= 1,1... 1,15, для третьего а3=1,2...1,25.

При исследовании устройств нижнего бьефа консольного типа выявлены три характерных режима сопряжения: глубинный; переходный, или поверхностно-донный; донный. По параметрам воронки размыва более благоприятным является второй режим, наблюдаемый при глубине затопления консоли ч> = Whip = 1,1...1,5, где hH = VPYhe - VnK - глубина погружения консоли под уровень НБ; VnK -отметка консоли; VPYHe - расчетный уровень нижнего бьефа, соответствующий максимальному расчетному расходу сооружения; h^ -критическая глубина на консоли. При строительстве сооружений на малых водотоках, для которых увеличение r|h кр может привести к заглублению консоли под бытовой уровень и усложнению производства строительных работ, отметку порога консоли следует назначать из условия:

УПк=УРУнв-Ь„; (53)

h„=l,l...l,3hKp. (54)

При такой компоновке, как показали опыты применение решетчатого гасителя дает возможность увеличить удельный расход на сливе-рисберме в 1,5...2 раза, сократив соответственно размеры всего сооружения.

В результате обработки опытных данных получены типизированные профили размываемого русла, которые представлены в виде графиков (рис.3.5), построенных в безразмерных (относительных) координатах 7)y=r]ap=ap/litT и Пх=х/2)кр. Здесь дается также методика построения профиля воронки размыва для реальных (натурных) условий. Согласно этой методике, параметры воронки размыва можно определить по следующим зависимостям:

»П1и

Хн =0,72^^1, <56>

"он

где 7-,он=Ьо+а'Уо2/2 - полный напор перед решеткой; Ьцр - критическая глубина на консоли; \'с); - допускаемая скорость на размыв грунта в отводящем русле при глубине потока 1 м; т|х и т|ар - приведенные координаты воронки размыва, определяемые по прилагаемым графикам.

Натурные наблюдения на трех построенных объектах ("Бабиничи" и "Городокский" Витебской области, "Писаревщина" Мо-гилевской области и др.) подтвердили результаты теоретических и лабораторных исследований, показали надежность и эффективность устройств НБ с решетчатым гасителем. Экономический эффект на одном сооружении составил от 18% до 26% по сравнению с типовым аналогом.

Четвертая часть диссертации посвящена совершенствованию конструкций, методов расчетного обоснования и проектирования устройств нижнего бьефа, обеспечивающих гашение водной энергии за трубчатыми низконапорными сооружениями путем деления потока и соударения струй (ДиСП).

Характерной особенностью мелиоративного строительства является лшрокое использование на водопроводящих каналах трубчатых сооружений: регуляторов, переездов, перепадов и др. Гидравлические и кинематические параметры этих сооружений находятся в сравнительно узком диапазоне: напор на сооружении Н 1=1...3,5 м; скорость потока на выходе в НБ У=2...6 м/с; числа Фруда Рго=0,5...5. При таких показателях, как показано в ч. 1, сопряжение сбросного потока с нижним бьефом и гашение избыточной энергии эффективно осуществлять способом соударения.

Анализ работ многих авторов по соединению и соударению по. токов показывает, что наиболее полно изучен вопрос гашения энергии при соударении высокоскоростных бурных потоков; гидравлика соединения спокойных потоков, особенно в вертикальной плоскости, представлена значительно меньше. Остается неясным вопрос выбора рационального соотношения расходов т|ч соударяющихся потоков. В известных работах рекомендуемое значите г)ч колеблется в широком диапазоне от 0,1 до 1,5 и более. Вопрос сопряжения потока с нижним бьефом трубчатых сооружений путем деления и соударения в вертикальной плоскости не рассматривается.

Поскольку сопряжение бьефов за трубчатыми низконапорными сооружениями происходит, как правило, в пространственных условиях, основные требования к устройству НБ, обеспечивающему деление и соударение потоков (ДиСП), можно сформулировать следующим образом: осуществлять рациональное деле;ше сбросного потока на

составные части, при соударении которых достигается наиболее эффективное гашение энергии; обеспечивать равномерное растекание (расширение) потока по живому сечению сопрягающего и отводящего русла; не допускать образования сбойности, волновых и водоворотных течений, вызывающих опасные размывы русла; не снижать пропускную способность сооружения; иметь простую конструкцию и технологию; быть удобным и надежным в эксплуатации. Этим требованиям в большей мере отвечает делитель-растекатель, выполненный в виде пластины. К такому решению привел патентный поиск и изобретение автора (A.c. СССР N 1528848). Это устройство отличается простотой

t'/MT(VPrVTWTtrm TmiM'TivrATi ИЛ1РГ<1МГО и VfMmAImDVIJ Л" I" t' ] ШГЧЛ1ГОГЛ

AMlVipjlUVUi, H^WWiWt vtl ¿4UlLiiWl\W IL IVUJ.lilWlLWlUi UVUi u j^WiW 4/

бьефа. При его использовании легко осуществить многослойное деление и соударение потоков, обеспечить необходимый режим сопряжения бьефов (рис. 4.1). В гидравлическом отношении делитель-растекатель можно рассматривать как пластину-трамплин или порог-трамплин (рис.4.2) с характерными для этого типа устройств гидравлическими особенностями. Исходя из назначения, конструктивных особенностей принятого принципа гашения энергии были сформулированы задачи исследований: дать классификационную характеристику пластинчатых делителей-растекателей, позволяющих определить область их применения; предложить методическое обоснование гидравлических параметров потока на участке деления-соударения; определить рациональное соотношение расходов разделяемых частей потока; установить расчетные геометрические и гидравлические параметры струи, сходящей с делителя-растекателя, необходимые для конструктивного и компоновочного обоснования устройства НБ. Для реализации поставленных задач были использованы теоретические методы гидравлики, физическое моделирование и натурные исследования.

Классификация делителей-растекателей предложена на основе анализа известных работ о трамплинах, результатов выполненных исследований. Согласно предложенной классификации, устройства, работающие по принципу ДиСП, делятся по следующим основным признакам: по назначению; по конструкции, по месторасположению; по взаимодействию с потоком и т.п. Из отмеченных признаков особое внимание уделено гидравлическому. По этому признаку пла-стины-растекатели делятся на "широкие", "средние", "низкие или узкие" и "высокие" (рис. 4.3). Основными критериями, определяющими гидравлический признак растекателя, являются угол (а) схода (вылета) струи и эпюра скоростей в плоскости растекателя. Например, к "широким" отнесены такие пластины, которые обеспечивают близкую к равномерной эпюру скоростей в начальном сечении сходящей струи. Для них a°&ß°(ß - угол наклона плоскости растекателя к горизонту). Согласно опытным данным, такой режим обеспечивают

устройства, у которых с/Ъ>581п р/2; р<45°; где с - вертикальная проекция пластины или порога-растекателя; Ь - глубина потока перед растекателем.

Анализ результатов комплексных исследований показал, что для гашения водной энергии путем деления потока и соударения струй за трубчатыми сооружениями наиболее эффективна "средняя" группа растекателей, которая способна обеспечить решение поставленных задач при минимальных геометрических параметрах устройства НБ.

Взаимные глубины (рис: 4.4) на участке сопряжения (разделения-соударения потока) определены из уравнения количества движения, которое после ряда преобразований получено в таком виде:

где аоь аоз - коэффициенты количества движения; ср° - угол наклона поверхности водобоя (вектор скорости донного потока) к горизонту; 6 - угол входа поверхностной струи под уровень нижнего бьефа; т|ч= ql/qo - коэффициент пропорциональности (деления) расхода; Яо - удельный расход перед делителем-растекателем, Я1 -удельный расход нижней (донной) струи; Рго= Яо^-^о3 - число Фруда перед : делителем-растекателем; (3=В/Ь0 - относительная ширина потока перед и за растекателем; т)ь=ЬЛ1о - относительная глубина потока перед растекателем и после соударения; Ос - коэффициент вертикального сжатия.

Уравнение (57) является основным уравнением, выражающим взаимосвязь параметров потока до его деления и после соударения струи. Используя это уравнение, получен ряд частных решений. Например, для пространственных условий сопряжение при параметрическом комплексе

(57)

(58)

(59)

где

т° = агсоэ1,84В. (61)

Для частного случая, когда [}=1 и Т1Ч=1, решение (9.18) приводит к уравнению сопряженных глубин для плоской задачи:

60(62)

rjh = l,63^a0 -Fr0 +0,5-cos

где

l,84-a01-Fr0 /53-)

т = arcos--—vUJJ

(0,5 +a, • Fr0)

В диссертации приведены достаточно подробные материалы о других параметрах, входящих в уравнение (57); о гидродинамических воздействиях на растекатель и др. "Каны методические подходы к практическому использованию теоретических решений.

Рациональное соотношение расходов соударяемых потоков T|q является одним из основных факторов, влияющих на эффективность гашения энергии путем соударения. В качестве критерия оптимизации был принят коэффициент гашения водной энергии

• Пе = f (Ль; ПЧ; Fr0; 6°; Ф°; Р), (64)

где т|е = (Ео - Ег)/Ео; Ео и Е2 - полная энергия потока перед разделением и после соударения. За рациональное принято такое значение T|q, при котором показатель tie будет максимальным.

Поставленная задача является многофакторной, аналитическое её решение оказалось весьма сложным. Поэтому был разработан алгоритм и составлена программа "GASITEL" для ЭВМ. Решение на ЭВМ велось численным методом. Полученные результаты представлены в виде номограмм, используя которые можно решать ряд практических задач.

В результате обобщали и аппроксимации расчетных данных получены следующие зависимости для определения значений коэффициента r]q:

при Fro>l = 0,12 + 0,2—-—; (65)

U Fr0 + 1'

приFro<l л =0,15+--, (66)

(Fr0+o,5y-5VFa5

Основные параметры струи (рис. 4.4), образующейся после взаимодействия потока с порогом-трамплином, учитывая специфику гидравлической задачи, определялись экспериментально-теоретическим способом. Так, решая систему дифференциальных уравнений

& ^ х л ^ ¥ л2 ^ г

с учетом ряда допущений получена формула дальности отлета струи в таком виде:

Ьотл = ^со3ан«(± Ун8тая+Л/Ун28т2ак+28У), (68) ё

где Ун - средняя скорость движения струи в начальном створе (скорость вылета); а„ - угол вылета струи; У = у + Ь„/2-со5а„ - высота падения струи; Ьотл - дальность отлета струи; у - превышение гребня пластины (трамплина) над уровнем вода нижнего бьефа; Ьн -толщина струи в начальном створе; g - ускорение свободного падали; ф - коэффициент, учитывающий аэрацию струи.

Знак "плюс" или "минус" принимается в зависимости от наклона плоскости трамплина к горизонту.

Угол вылета (схода) струи с плоскости трамплина-растекателя определялся в основном аналитическим способом из формулы (68), при значениях других параметров, установленных опытным путем. В результате были получены графики п=ао/ро для условий пространственной задачи.

Ширина отброшенной струи, в частности, ширина следа падения, является необходимым расчетным параметром, определяющим геометрические размеры устройства нижнего бьефа, его ширину (рис. 4.4):

Б = Др + 2Ъ,ф5т5, (69)

где 5 - угол бокового расширения струи; Др - расчетная ширина растекателя; Цр- дальность отлета боковой струи.

Входящие в формулу (4.13) параметры определялись теоретическим и опытным путем для прямолинейных и криволинейных (полуцилиндрических) лластин-растекателей разных размеров. Принимая Ух=фсова-\|'о; Уу = (оКуКФЛ/2вР' получена формула для определения угла бокового расширения струи

сова у2Рг„7с ] Д\ Д

где УхиУу- составляющие вектора скорости потока струи на сходе с растекателя; ср - скоростной коэффициент, К у - коэффициент, учитывающий условия растекания (расширения) струи; К® - коэффициент, учитывающий форму растекателя; Р' - удельное осреднен-ное гидромеханическое давление на пласпшу-растекатель; Ьо -ширина потока перед растекателем.

Опытная проверка показала, что растекатели высотой с = (0,33...0,44)11о, расположенные на расстоянии (1 ...2)Ьо от выходного

отверстия, обеспечивают достаточно интенсивное и равномерное расширение струи в плане; что формула (70) применима для 0,4 < Д/Ьо < 2. При этом можно принимать: Ку = (Х+0,1)1'5; Кф=0,95...1,0 для прямолинейных трамплинов-растекателей с плоской напорной гранью; Кф=0,9...0,95 - для цилиндрических (радиальных) в плане трамплинов с радиусом закругления напорной грани г=2Ьо; коэффициент >.=Д/Ьо.

Практическое применение гаситеш-растекатели получили на трубчатых регуляторах и перепадах, построенных на мелиоративных объектах Беларуси и других регионах по типовому проекту, разработанному ГНИ Полесьегипроводхоз на основе результатов комплексных лабораторных и натурных исследований, выполненных автором.

Исследования показали, что предлагаемое устройство работает следующим образом. На выходе из трубчатого сооружения поток, достигая пластины-растекателя, делится на две части - верхнюю и донную. При этом на верхней (напорной) стороне пластины образуется избыточное гидродинамическое давление, а на нижней - пониженное (дефицит) давление. Благодаря избыточному давлению верхняя часть потока растекается то наклонной плоскости делителя, деформируется по вертикали и отбрасывается в сторону нижнего бьефа, то есть пла-стина-расгекатель воздействует на верхнюю часть потока как гидравлический трамплин. Установлено, что положение нижней кромки придонного растекателя относительно дна водобоя-рисбермы существенно влияет на режим движения потока в конце рисбермы и в отводящем русле. Маневрируя величиной зазора, можно регулировать величину дефицита давления за растекателем, изменять кинематические и геометрические параметры придонного вальца. При значительных колебаниях уровня воды в НБ целесообразно применять не одну пластину-растекатель большой ширины, а две меньших, т.е. верхнюю и придонную.

Используя в качестве основного критерия оптимизации глубину воронки размыва Ьр и величину деформации откосов Вр отводящего канала, установлен ряд дополнительных параметров пластины-растекателя: рациональный угол атаки р=48...52°; местоположение растекателя относительно водовыпускного отверстия трубы:

для двухтрубчатых сооружений.

Для определения других параметров, необходимых для расчета ■ гасителя-растекателя, в диссертации приводятся дополнительные данные в виде аналитических зависимостей и графиков; дается метода-

(71)

для одаотрубчатых сооружений и

(72)

ческое и экономическое обоснование устройства НБ с применением ДиСП. Согласно реальным проектным данным, применение пласти-ны-растекатеяя дает экономический эффект на одном сооружении от 2 до 7м3 железобетона.

Пятая часть диссертации посвящена разработке, исследованию, методологическому и проектному обоснованию принципиально новой конструкции водопропускного сооружения (рис.5.1) для речных гидроузлов (а.с. СССР, 1019050).

В водохозяйственной практике при строительстве гидроузлов на речных водотоках со значительным бытовым расходом часто используют бетонные (железобетонные) плотины; объем капиталовложений на их возведение составляет от 50% до 70% от общей стоимости речного гидроузла. Высокая стоимость применяемых водосливных плотин обусловлена не только особенностью эксплуатационных условий и технических требований. Здесь сказывается и традиционный "гравитационный" подход к обоснованию статической модели. Поэтому в гидротехнике ведется непрерывный поиск новых технических решений, поиск путей их удешевления и усовершенствования. Опыт создания прогрессивных конструкций показывает, что экономичное водопропускное сооружение можно получить только при успешном сочетании рациональных конструктивных форм (моделей) с эффективными приемами гидравлики. Согласно правилам рационального инженерного творчества, статически рациональной можно считать такую модель сооружения, у которой геометрические ее формы и размеры позволяют наиболее полно использовать механические свойства строительных материалов, обеспечить эффективное взаимодействие системы "сооружение-среда", высокую технологичность строительства. Гидравлически рациональной будет такая модель сооружения, которая наиболее полно удовлетворяет условиям эксплуатации и строительства при наименьших затратах. Этим требованиям в большей мере отвечает предложенная конструкция плотины с решетчатым сливом и камерой гашения (ПРК), разработанная на основе технико-экономического анализа и сопоставления конструктивных, гидравлических и эксплуатационных показателей известных типов сооружений.

Водосливная плотина ПРК состоит из напорной стенки-диафрагмы, оголовка, сливной плигы-решетки, фундаментной плиты, которая со стороны верхнего бьефа имеет удлиненную консоль, а со стороны нижнего бьефа выполнена по типу водобойного колодца. В напорной стенке-диафрагме имеются донные отверстия для опорожнения водоема, пропуска строительных расходов и сброса части паводковых вод. Между напорной сгенкой-диафрагмой, сливной плитой-решеткой и плитой-водобоем образуется камера-гаситель. Плотина такой конструкции обеспечивает сброс воды, льда и сора через

гребень, полное опорожнение водохранилища через данные отверстия. Возможна совместная работа поверхностных и донных отверстий. Гидравлический эффект предложенной конструкции достигается за счет разделения потока, многократного дробления и соударения струй. Экономический эффект получен за счет сокращения длины водобоя и рисбермы, уменьшения объема тела плотины, соединения водослива и водобоя в единую фундаментальную плиту. В предложенной конструкции принят и исследован водослив практического профиля укороченных размеров, совмещенный с решетчатой плитой. Сдивной оголовок, как показали последующие опыты, должен обеспечивать положительное давление сбросного потока на элементы решетчатого водослива и создавать необходимые размеры камеры, при которых решетчатый слив и камера активно включаются в работу и обеспечивают интенсивное гашение избыточной водной энергии. Чтобы установить рациональную форму и параметры плотины, были проведены экспериментальные лабораторные и натурные исследования, которые включали следующие задачи: определение водопропускной способности поверхностных и донных отверстий с учетом влияния решетчатого слива и камеры гашения; изучение режима работы камеры-гасителя; исследование гидравлики решетчатого водослива; определение гидродинамических воздействий на водобой, водосливную плиту (решетку); исследование режима сопряжения сбросного потока с нижшш бьефом; определение рационального удельного расхода на сооружение; уяснение режима эксплуатации нового сооружения в лабораторных и натурных условиях.

Гидравлические испытания решетчатого водослива с оголовком практического профиля показали, что такой водослив, в зависимости от величины (полноты) напора на пороге, режима работы камеры, может работать в вакуумном и безвакуумном режимах. При глубине потока на.врдосливе, равном профильному напору Н„р, коэффициент расхода т=0,48...0,49. При напорах на водосливе больше профильного коэффициент расхода увеличивается до т=0,56...0,57. При подтоплении сливного оголовка со стороны нижнего бьефа вакуумный режим переходит в безвакуумный. Значения коэффициента подтопления для такого водослива отличаются в большую сторону от известных классических профилей (рис.5.2).

Пропускная способность донных отверстий определялась с учетом влияния камеры гашения и совместной работы поверхностных и донных ее отверстий. Особое внимание было уделено коэффициенту фС) входящему в формулу пропускной способности

где е - коэффициент бокового сжатия; <рс - поправочный коэффициент (коэффициент расхода при е=1); о - площадь открытого донного отверстия; Zo - перепад уровней верхнего и нижнего бьефов.

Используя опытные данные и зависимость (5.1), были определены численные значения коэффициента <рс. Достаточно большой объем опытной информации позволил получить графические зависимости для определения коэффициента фс =f (hn/To;ha/Hi), где h„ - величина подтопления, равная разности отметок уровня нижнего бьефа и порога донного отверстия; Ьд- величина (высота) донного отверстия; То - полная удельная энергия ВБ относительно дна водобоя. Согласно опытным данным, значение коэффициента <рс изменяется от 0,64 до 0,73; среднее значение cpc = 0,68. Для практического использования получены номограммы и аналитические зависимости, приведенные в диссертации.

Характерные режимы работы камеры гашения выявлены в процессе лабораторных и натурных исследований (рис.5.3): безнапорный, полунапорный и напорный.Установлено, что режим камеры зависит от относительных ее размеров (hi/Hi), величины расхода q0, Яд, qs, от степени подтопления транзитного потока на решетчатом сливе со стороны НБ. Безнапорный режим отличается наличием свободного пространства с образованием гидравлического прыжка внутри камеры, интенсивной аэрацией потока и устойчивым режимом движения потока за камерой. При полунапорном режиме область водоворотных течений (гидравлического прыжка) занимает незначительную верхнюю часть камеры, внутри которой возможно образование вакуума, раскачка потока, "схлопывание" воздушной полости. Напорный режим устанавливается при полном затоплении камеры. При этом режиме в камере отсутствуют характерные для гидравлического прыжка формообразования. Однако роль камеры и решетчатого слива как гасителя сохраняется, но становится менее эффективной. Для конкретных краевых и граничных условий режим работы камеры можно оценить по приведенным в диссертации эпюрам hA=f (Ьд; Н„; hK6; Hi), а также по графикам hc"=f(q), приведенным на рис.5.4. Для стабшш-зации режима сопряжения предлагается осуществлять подвод воздуха в камеру под сливной оголовок с помощью трубчатых воздуховодов и распределителей. В работе приводятся результаты лабораторных исследований и натурных испытаний и рекомендации по расчету их и проектированию.

Режим сопряжения потока с нижним бьефом тесно связан с режимом работы камеры, с ее формой и относительными размерами. Выявлены три характерные формы сопряжения (рис.5.3): образование гидравлического прыжка внутри камеры; образование прыжка за камерой; образование сложной формы прыжка с частичным его расположением внутри и за камерой. Обработка опытных данных позволи-

ла получить номограмму и эмпирическую зависимость для определения глубины затопления прыжка. При безнапорном режиме работы камеры

ь;,=о,19 ™

где h"c.p - глубина затопления прыжка за плотиной с решетчатым водосливом; he" - глубина, эквивалентная глубине затопления прыжка за плотиной практического профиля при идентичных начальных условиях; q - расчетный удельный расход через плотину; Hi -напор на сооружении относительно дна водобоя;

Ь.кам - максимальная высота камеры.

При полунапорном режиме можно принимать h"c.p.» 0,75...0,8hc"; при напорном h"cp« 0,85...0,9 he".

Гидравлические исследования решетчатого водослива позволили установить основные параметры потока, определяющие режим работы камеры гашения и режим сопряжения: расход qp, пропускаемый через решетку внутрь камеры; транзитный расход qr, движущийся по решетке; глубину ( транзитного потока, измеренную по нормали к решетке. Большинство известных работ относится к донным водозаборным решеткам и к сороудерживающим решеткам. Гидравлика решетчатых водосливов (рис.5.5), т.е. решеток, установленных с большим уклоном (í>¡kp), требует своего решения.

Используя уравнение энергии в сечении, уравнение неразрывности потока qI+qp=qB, записанное в дифференциальной форме

^dx-^d t = (75)

дх дх di di и рассматривая движение потока через решетку как истечение через сеть напорных отверстий, получена система параметрических уравнений:

(76)

^ ^ 6 » ^ сод4, j

, 2 cosa f ... Б")

-К)--; (77)

¿!>-, ^ ч/А ■ tga + 2 p.p- A + tga(tg4' + Б)С (78)

di <р[2кг -X,cosa)^A +HP&x -'lL)^/^~cosa(tg4J + Б/2)С Здесь принято:

C-^pk^^-^X/^C/cosT);

A = V°sa + kp2Xz^; (79)

eos*?

Б = (l+sin^os'y (gO)

2m J cos2 Tcos 2p(tgr - tgp)'

Xt=_L; X JL.t X A; (81)

U * U dU о и

П, ri0 ио "о

Я,г= 1 + tac tga + Xt cosa, (82)

где Ч' = (y-a) - угол между вектором скорости и плоскостью решетки; V - средняя скорость набегания потока; у - угол между вектором скорости и горизонтом (осью X); к - коэффициент гидромеханического давления; (X-L) - расчетная рабочая длина решетки; ц - коэффициент расхода отверстий; a - угол наклона решетки к горизонту; Р - угол между вектором скорости в начальном сечении и горизонтальной плоскостью; mi=m-e-CTn - приведенный коэффициент расхода водослива.

На основшши обобщения и анализа результатов исследований предложена следующая формула коэффициента расхода решетчатых водосливов (водозаборов)

a = e i»)

Н- ьо /--

где a - коэффициент Кариолиса; Ср - коэффициент сопротивления решетки; к - коэффициент, уметывающий форму отверстия: для круглых отверстий к=0,13, для прямоугольных - к=0,15; Рп=Рн/Р - коэффициент полноты сжатия; ео - коэффициент полного совершенного сжатия.

При |_i=0 получено частное решение в виде уравнения движения потока на быстротоке

3cosa I

где С - коэффициент Шези; >-r=R/Ho - относительная величина гидравлического радиуса.

В диссертации дана методика и пример расчета, а также алгоритм программы "LOTOK-R" для определения параметров решетчатого водослива-водозабора с помощью ЭВМ.

Гидродинамические воздействия на водобойную плиту плотины и решетчатый ее водослив изложены в отдельной главе диссертации. Установлено, что при работе плотины внутри камеры может возникать как избыточное, так и отрицательное (дефицит) гидродинамическое давление (рис.5.7 и рис.5.8), а за камерой со стороны нижнего бьефа - дефицит давления. Дефицит давления в камере, согласно опытам, наблюдается только при совместной работе поверхностных и донных отверстий при глубине нижнего бьефа h„6 ^ he"- При

cos

1

—arceos 3

2 \ г 27 gni|COSCt

C^^tga

я

н--

3

(84)

других режимах в камере наблюдалось только избыточное давление. Форма эпюры гидродинамической нагрузки на водобой за камерой гашения характерна для обычных водосливов водобойных устройств, имеющих гасители в виде прорезной или сплошной водобойной стенки. Однако максимальное значение дефицита давления несколько больше, но длина его распространена вниз по течению от подошвы решетки значительно (примерно в 2 раза) меньше, чем для типичных устройств НБ. В результате обработки опытных данных получены эпюры гидродинамического воздействия и аналитические зависимости, аппроксимирующие опытные данные: Дефицит давления за камерой:

гид(д)тах

II

'о,81^-0,5

к

Ео-Ьяе

(вз;

ч>/

где п - коэффициент пропорциональности: для безнапорного режима работы камеры п=18, для напорного п=9; Е0 - удельная энергия потока в верхнем бьефе относительно дна водобоя; Ькр - критическая глубина; Рп - высота порога плотины; Ьн6 -глубина нижнего бьефа.

Расстояние от подошвы решетки до ординаты Ьгидофтах-

~*(д) _

= 2,5

-£5--0,05

(86)

Максимальное значение избыточного давления в камере для безнапорного режима

У/- -

пвд(юб)тах __ д | 0- для напорного режима

0,8-55—0,5

Б -Ь 0 +0,25

(87)

гид(кзб)тах _ у 2 1

0,8-

-0,5

Б° +0,15

(88)

Эпюры измеренных гидродинамических давлений на элементы (балки) решетчатого водослива показаны на рис.5.9.

Рациональный удельный расход через сооружение установлен по приведенным материальным затратам (Б=W/Q = й^;7о;То), полученным на основании технико-экономического анализа типовых и индивидуальных проектов водосливных плотин . Эта параметрическая связь предложена в виде графика Б=Г(2о/То) (рис.5.6). Более глу-

бокий анализ показал, что рациональный удельный расход через сооружение должен удовлетворять условию

: knk

Т 1о

Л У

м'/с.м, (89)

где пк - коэффициент, учитывающий тип (конструкцию) сооружения; к - коэффициент пропорциональности, принимаемый равным 6...10 (8). Для гравитационных бетонных плотин пх=1,0; для облегченных - Пк=0,7...0,8.

Меньшее значение коэффициента к следует принимать для низконапорных, а большее - для средненапорных плотин. Установлено, что на эффективность технической эксплуатации двухъярусных сооружений влияет соотношение (коэффициент пропорциональности) расходов, пропускаемых через поверхностные и донные отверстия. Для сооружений с решетчатым сливом это соотношение рекомендуется принимать T|q— cfo/qo= =0,6.. .0,7.

Длительные натурные наблюдения (в течение 14 лет) за эксплуатируемым объектом на р. Быстрая Могилевской области подтвердили высокую надежность и эффективность предложенной конструкции плотины. Через сооружение осуществлялся пропуск расчетных расходов (до 150 м3/с), пропуск льда, плавника и донных отложений без засорения и обмерзания сливной решетки и камеры, размывов отводящего русла и рисбермы.

Экономическая эффективность плотины ПРК, согласно проектным показателям, по сравнению с типовым аналогом составила 27 % ■ по капитальным затратам и 1090 м3 по железобетону. В диссертации даны методические обоснования по расчету, проектированию и эксплуатации данного сооружения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы, полученные на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Резкое снижение темпов и объемов мелиоративного и водохозяйственного строительства, качественных эксплуатационных показателей водохозяйственных объектов связано (наряду с другими причинами) с большими материальными и энергетическими затратами на возведение и реконструкцию водопропускных сооружений, с медленным процессом разработки и внедрения в производство рациональных ресурсосберегающих конструкций и технологий на основе достижений науки и практики.

2. Проблему ресурсосбережения на строительстве и эксплуатации водопропускных сооружений следует решать путем оптимизации

модульного их комплекса на основе обоснованного применения рациональных конструктивных форм, у которых наиболее полно использованы и учтены физико-механические свойства строительных материалов, статические особенности системы "сооружение-среда", эффективные способы гидравлики сооружений. На основании техни-ко-экономйческого анализа даны обоснования выбора рационального типа сооружения, способа сопряжения, способа гашения водной энергии с учетом конкретных условий.

3. В результате систематизации и анализа многих исследований получены практические решения по растеканию потока, по краевым условиям гидравлических формообразований, по сопряжению потоков в пространственных условиях, которые учитывают влияние режима истечения и конструктивные формы водовыпускного отверстия и сопрягающего русла, расширяют возможности обоснованного выбора устройства нижнего бьефа.

4. Использование принципа разделения (дробления) потока, взаимодействия перемежающихся отрывных турбулентных течений привело к созданию принципиально новой конструкции гасителя в виде пространственной решетчатой системы, позволяющей расширить диапазон практического использования решетчатых гасителей, увеличить удельный расход на водосливе и водобое-рисберме в 1,5...2 раза, обеспечить устойчивый режим сопряжения в широком диапазоне краевых условий, снизить размывающую способность потока, существенно сократить размеры и стоимость сооружения.

5. Установлено, что эффективность решетчатого гасителя обусловлена конкретными геометрическими его параметрами: скважностью решетки ((3=0,40...0,42), углом атаки (а=8°...(18°)), высотой камеры гашения (Ькаы=0,7 Ьщ,), гидродинамическими воздействиями на водобойную часть сооружения, на элементы самой конструкции, на отводящее русло. Предложенные методические обоснования, полученные аналитические и графические зависимости позволяют определить область практического применения, конструктивные параметры гасителя, обосновать рациональные компоновочные решения устройств нижнего бьефа консольного и водобойного типа.

6. Исследования низконапорных трубчатых сооружений возводимых на мелиоративных каналах показали что можно успешно использовать сопряжение бьефов и гашение энергии путем деления-соударения с помощью делителя-растекателя. Установлено, что предложенное устройство при правильном проектировании является высокоэффективным техническим решением, обеспечивающим интенсивное гашение избыточной водной энергии, устойчивый режим сопряжения в пространственных условиях, существенное (до 40-45 %) сокращение длины крепления сопрягающей части русла при достаточной надежности и эффективности в эксплуатации.

Путем математического и физического моделирования определены основные параметры гасителя-растекателя: угол атаки (Р=48...52°); ширина пластины (Ь„аО,38...0,42Ьо); высота просвета аг, а также коэффициент пропорционального деления расхода г|а=0Л8...0,5, другие параметры и характеристики. Для решения практических задач предложены номограммы, аналитические и графические зависимости, конструктивные решения, методические обоснования.

7. В результате использования пространственных статических форм в виде "жесткого" треугольника и эффективных способов гидравлики создана принципиально новая конструкция водосливной плотины с решетчатым сливом и камерой гашения для речных гидроузлов, обеспечивающая снижение материальных, энергетических и трудовых затрат на 25...30 %. Экономический эффект новой конструкции достигнут благодаря применению в качестве водоподпорной части сооружения сливной стенки, состоящей из напорной диафрагмы, сливной решетчатой плиты и неразрезной водобойной фундаментной плиты, которые образуют камеру гашения. Такое техническое решение дало возможность наиболее полно использовать физико-механические свойства строительного материала, совместную работу системы "сооружение-среда", эффективно применить способ деления и соударения потоков и достигнуть при этом снижения глубины затопления прыжка на 25...35 %, сокращения объема тела плотины и общей длины слива-водобоя-рисбермы на 35...40 %.

8. В результате проведенных комплексных экспериментальных лабораторных и натурных исследований плотины ПРК как двухъярусного водосброса-водоспуска установлены геометрические параметры сооружения, гидравлические характеристики водопропускных отверстий, гидродинамические нагрузки на элементы плотины и др., предложены методические указания по расчету, проектированию и эксплуатации водопропускных сооружений подобного типа.

9. Получены новые теоретические решения и экспериментальные данные по гидравлике решетчатых водосливов, на основе которых предложены методические и расчетные обоснования водоскатов и решетчатых водозаборов с большим уклоном.

Приведенные выводы свидетельствуют о том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, проектно-методических разработок позволили обосновать новые направления в теории и практике гидротехнического строительства сооружений и на этой основе разработать ряд облегченных экономичных конструкций, внедрение которых в практику показало их эксплуатационную эффективность и надежность.

у 1 / V V /

/ / / /

/ И

р и

/1

-с У

•к: 0 П . И л 70 го ' 9 А V А Р 1 V) а в"

Рис.1.1. Приведенные технико-экономические показатели водосбросных сооружений:1 - башенные автоматического действия; 2 - ковшовые; 3 - регулируемые с быстротоком; 4 - башенные полуавтоматического действия; 5 - водосбросные плотины и шлюзы; б - трубчатые с затопленным оголовком (ТР).

N.

ит

М

г(с /м К 00

"Ус

— . --ТР / 1 г /

/ /

/ у

У . 1

*ом ш&

г1о ^

е

**

//

V

У 1 1

• - Мтш г Абагм

У м //

7 м —.-1

Рис. 1.3. Удельные технико-экономические пока-143 затели лотковых и трубчатых быстротоков.

Л V • 4-1

\ © г

ч © .4 . г

© V

( \ *

1 1 •

•

Рис. 1.2. Зависимости ИПр=Г(а) и «ПР«ИЮ для трубчатых и открытых регуляторов.

Рис. 1.4. Приведенные затраты бетона Б'-Бпр/И на устройство

нижнего бьефа: ---- консольный тип; -- водобойный

тип.

8 к

а

//V/ •7/ / / / 9 /

(П с 4 * У / л- V/ у

АГ в / у * г / /

* у » / • I 1 4 \ 3 / • / ^ / * / 1 * \ /Ш)

/ • ,/ А V / \ \

О 0.1 02 аз ОМ 0.5 0.6 Д

б

0.6 08 Ю ¿0 3.0 4.0 5.0 &

Рис. 1.5. Гидравлические характеристики гасителей водной энергии: а - пе=^Рг1); б - 1 - водобойный коло-

дец; 2 - шашечные гасители С44]; 3 - решетчатый гаситель; 4 - пластинчатый гаситель-растекатель.

Рис. 2.1. Координаты границ листа растекания бурного потока на горизонтальной плоскости за напорными трубчатыми водосбросами.

Рис.2.2. График для определения коэффициента п

Ф

(.0

0.9

Ой

0.7

ОБ

0.5

в.;

0.3

0.2 0.1 0.0

1.2 1Б 2.0 2А 2.6 3.2 3.6 4.0 М

Рис. 2.3. Графики иь=!1/Ьо=£

<±о

а

/ ; / /■ у у У у/V> /уууу у / У у У у У

===3=^-н

— -4

у // / у

У УУУ\

4,

У У /V &

77

Рис.-3.1. Рациональные конструктивные форш решетчатого гасителя: а - двухрядная; б -- двухъярусная.

п,

Ь,

/ Г "

'К»

АГ ,

Рис. 3.2. Схема к расчету глубины потока за решеткой: а - бурного; б - спокойного; в -- набегание'потока под косым углом.

А 7

✓ ✓ 4 г 1.Г

N 1 а 16

Рис. 3.3. Устройства нижнего бьефа с решетчатым гасителем: а - с донным порогом; б - со стенками-растекателями.

——--

Л.

Н5 А/

\ан ^-г-ггут.

а,

Рис. 3.4. Устройство нижнего бьефа быстротока с решетчатым

гасителем.

Рис. 3.5. Графики приведенных координат размываемого русла за консолью быстротока с решетчатым гасителем и сливной решеткой: лар=ар/ЬКр; лх=х/ЬКр; пькр^н^кр-

и буотн"£(льк)•

Рис. 3.7. Коэффициенты гидромеханического сопротивления решетчатого гасителя: СХ=Г(Льо); Су={~ (пьо)•

1,0 0,8 0,6 О,А 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 с*=3,Б°; ¿-Г?ь=7,0; о-^-.в',5-, "»-^=12,1 Пн

-9

э

И

я

А

у

и У

п

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 I?* 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Ч* ос =0,4°; Д-1?к=6,7 с< = 16,2°; л-^ = 6,0;

О-7к=8,5-, »-^=12,5- °-Пь = 8,1

Пъ

Пи Пь _

ПП

Л ъ а

А У/ / с V \

А о Л

К л

у

с* = 30°; д- 8,5 ',

0 " V7-6 °"8'3

к

Рис.3.8.Графики для определения осредиенного давления по тока на верхнюю и нижнюю грани балки решетки.

Рис. 4.1. Устройства нижнего бьефа трубчатых регуля-- пинопластинчатый; б - двухпластинчатый.

Рис. 4.2. Режимы сопряжения за делителем--растекателем.

Рис. 4.3. Типы лластин-растекателей: а - "узкие"; б - "высокие"; в - "широкие"; г - "средние".

Рис. 4.4. Схемы к расчету трамплинов: а - -определение дальности отлета струи; в - определение параметров следа падения.

Рис.5.1. Плотина с решетчатым водосливом (ПРК): 1 - напорная грань; 2 - ого-лоеок; 3 - Еодосливная грань; 4 - еодо-бок; 5 - камера гашения энергии потока; б - решетка.

Рис. 5.2. Графики бп=Г{10/Н0).

Рис. 5.3. Режимы работы камеры: а - безнапорный; б - подунапорный; в - напорный.

Рис. 5.4. Графики для определения Еторой сопряженной глубин; Ьс"(Н1=10м; (М,2м)

Рис.5.5. Гидравлическая модель решетчатого водослива.

в*

я

№

а

е

1 о

¿о

Рис.5.6. График Б=Ич —) для бетонных плотин.

То

А..1Г.

"ч ___ . Т ь \ > м -1.1.11 /1. и.

—— ШЙ ПК. ч, 1«.

ч -Л-1-1'

\ ч \

11

II И Ы М ТТТ1

О* 1 У

из>

Л ГГТг^

1-1..

Рис. 5.7. Графики гидродинамического давления на водобой при работе поверхностного водослива: а=3,8мэ/с; Н1=10м.

] И I II I Кп I И II и. х ю* | г

1 в-оЩ-1

111;

III 1 N 1111 1114

ч.о« —*

Рис. 5.8. Обобщенные эпюры гидродинамического давления на плиту водобоя при работе поверхностного отверстия: а - безнапорный режим; б - напорный.

N N ' N N I I II I I ^

Ы~_] Ни

Рис.5.9. Эпюры гидродинамического давления на элементы решетки: 1- Ънб^с '•

г - Инб^с"; з - ьнб>ьс";

а - по данным модели; б -на натуре (На-в м).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В 42 РАБОТАХ АВТОРА, в том числе:

1. Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов.- Минск.:

Высшая школа, 1990. - 351 С.

2. Облегченные конструкции водопропускных сооружений,- Мн.:

ИПП Минэкономики, 1997,- 180 С.

3. К вопросу сопряжения бьефов за трубчатыми высоконапорными

водосбросами,- Труды гидромелиоративного факультета БСХА.-Горки,

1971. - Т. 81. - С. 160-170 (в соавторстве).

4. Влияние угла наклона свободной поверхности струи в начальном

сечении на растекание бурного потока.- Труды БСХА "Мелиорация и гидротехника".- Горки, 1971.- Т.101,- С.245-251.

5. Расчет границ растекания бурных потоков за напорными водо-

сбросами.- Труды БСХА "Проектирование и расчет сооружений водохозяйственных систем".- Горки, 1973.- Т.101.- С.36^10.

6. Гидравлические исследования, классификация и методика расчета

порогов-трамплинов.- Труды БСХА "Комплексная мелиорация земель и гидротехника",- Горки, 1973.- Т.112.- С.8-19.

7. Противосбойное устройство для трубчатых водосбросов.-Труды

БСХА ''Проектирование и расчет водохозяйственных систем и сооружений",- Горки, 1974.- Т.126.- С.3-8.

8. Определение угла бокового расширения и ширины следа падения

струи, отброшенной порогом-трамплином//Мелиорация, гидротехника и водоснабжение.-Труды БСХА.-Горки,1975.- Вып.З,-С.136-146.

9. Определение рациональных размеров водосливных плотин на нес-

кальных основаниях // Мелиорация и повышение эффективности использования мелиоративной техники,- Труды БСХА.-Горки, 1978.-Вып.50. -С.41-50.

10.Проектирование и расчет водосливных плотин на нескальном основании.- Горки, 1986. - 78 С. (в соавторстве).

11.Формы пространственного сопряжения бьефов и режимы движения потока за донными трубчатыми водосбросами П Водное хозяйство и гидротехническое строительство. - Мн.: Высшая школа, 1978. -Вып.8. - С.92-101.

12.Гидравлические исследования решетчатых водосливов // Краевые задачи теории фильтрации. - Ровно, 1979. - С.243-244.

13.A.C.N 1019050 СССР.Водосливная плотина /Опубл.в Б.И.,1983,-N19.

14.Определение рациональной формы и размеров крепления русла нижнего бьефа водосбросных сооружений // Актуальные проблемы строительства и эксплуатации мелиоративных водохозяйственных систем. - Горки: БСХА, 1984. - Т. 117. - С. 52-60.

15.Водосливная плотина облегченного типа р. Быстрая.- ВДНХ,

1985.

16.Гидродинамические воздействия на водобойное креплише водосливной решетчатой плотины // Планирование, строительство и эксплуатация мелиоративных и водохозяйственных систем. -Горки: БСХА, 1985. - С.51-56.

17.Моделирование размыва русла за водосбросными сооружениями с учетом критерия размывающей способности потока // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. - Мн.: Вышэйшая школа, 1986: - Вып. 15. - С.73-78.

18.Исследование гидродинамических нагрузок на элементы решетчатых гасителей // Комплексная мелиорация и гидротехника в БССР. - Горки: БСХА, 1986. - С.76-81. (в соавторстве).

19.0 гидравлике решетчатых водосливов // Водное хозяйство и гидротехническое строительство.- Мн.: Высшая школа, 1987. -Вып. 16.- С. 79-89.

20.А.С. N1528848 СССР. Гасители энергии потока/М., 1989.

21. Определение рациональных параметров водобойных устройств

решетчатого типа // Совершенствование строительных материалов, конструкция и повышение качества с.-х. и водохозяйственного строительства,- Новочеркасск, 1991.- С. 19-24. (в соавторстве).

22. Устройство НБ с решетчатым гасителем для трубчатых водо-

сбросов // Мелиорация и гидротехника для условий Беларуси. -Горки: БСХА, 1995. - С.35^5.

23.Водоподпорно-регулирующее устройство на мелиоративных каналах // Мелиорация и гидротехника для условий Беларуси. -Горки: БСХА, 1995. - С.86-95. (в соавторстве).

24.Водосбросы открытого типа с решетчатой сливной гранью на

• расход воды от 100 до 250 м3/с и напором до 10 м. ТПР 88/318. -

Мн.: Белгипроводхоз, 1988. (в соавторстве).

25.Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4-12 м для прудов и малых водохранилищ. ТПР,- Мн.: Белгипроводхоз, 1991. (в соавторстве).

26.Гасители энергии водного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м. ТПР -Мн.: Белгипроводхоз, 1992. (в соавторстве).

27.Трубчатые регуляторы и переезды с нырякодим оголовком и гаси-телем-растекателем.ТПР-Пинск:Полесьегипроводхоз,1994. (в со-авт.).



si.

lMl

V

\

.

БЕЛОРУССКАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

ВОДОПРОПУСКНЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор МИХНЕВИЧ ЭДУАРД ИВАНОВИЧ

Горки - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ......................................................................................7

ВВЕДЕНИЕ .....................................................................9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ......................................................................12

ЧАСТЬ 1. ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

И ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО ИХ РАЗВИТИЯ..............................................20

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ (ВСНГ) ............................................20

1.1. Основные типы водопропускных сооружений ............................20

1.2. Основные составные части водопропускных сооружений ... 21

1.3. Эксплуатационно-технические характеристики ВСНГ ............41

1.4. Области преимущественного применения водопропускных сооружений низконапорных гидроузлов ....................................48

1.5. Оценка перспективности применяемых ВСНГ ............................53

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

КОНСТРУКЦИЙ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ ..........................................................56

2.1. Методологический подход к обоснованию рациональной конструкции сооружения" г.....................................................56

2.2. Технико-экономическая оценка,^основных модулей ВСНГ ... 57

2.3. Выбор рациональной конструкции водоотводящего (сопрягающего) модуля............................................................................57

2.4. Определение рационального геометрического профиля сопрягающих лотковых водоводов ..................................................59

2.5. Обоснование способа сопряжения и типа устройства нижнего бьефа...............................................63

2.6. Основные способы гашения и типы гасителей водной энергии ............................................................................................69

2.7. Обоснование способа гашения водной энергии за ВСНГ ... 74 2. 8. Особенности сопряжения потока с нижним бьефов

в пространственных условиях ....................................................87

2. 9. Основные выводы и задачи дальнейших исследований..........92

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ................97

3.1. Экспериментальная база..............................................................97

3.2. Методологический подход к исследованию гидротехнических сооружений....................................104

3.3. Гидравлические лабораторные исследования .............106

3.4. Исследование и моделирование местного размыва русла ..110

3.5. Гидродинамические исследования .......................118

3.6. Методика натурных исследований .......................124

3.7. Оценка точности измерений ............................126

ЧАСТЬ 2. СОПРЯЖЕНИЕ СБРОСНОГО ПОТОКА С НИЖНИМ БЬЕФОМ

ВОДОПРОПУСКНЫХ МАЛОПРОЛЕТНЫХ СООРУЖЕНИЙ..............133

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ФОРМ СОПРЯЖЕНИЯ ПОТОКА

С НИЖНИМ БЬЕФОМ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ..........133

ГЛАВА 5. КРАЕВЫЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ

СОПРЯЖЕНИЯ...........................................142

ГЛАВА 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОТОКА

НА УЧАСТКЕ СОПРЯЖЕНИЯ НИЖНЕГО БЬЕФА .................. 148

6.1. Глубина свободно растекающегося бурного потока в горизонтальном русле.....................................148

6.2. Границы свободного растекания бурных потоков .........151

6.3. Определение допускаемого угла радиального расширения (поворота) прямолинейных боковых стенок сопрягающего русла ................................................156

6.4. Параметры прыжка в плавно расширяющемся русле ........159

6.5. Выбор рациональной формы сопрягающего участка

русла в плане (практические рекомендации) ............162

6.6. Основные выводы и результаты исследований............166

ЧАСТЬ 3. ГАСИТЕЛИ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ РЕШЕТЧАТОГО ТИПА ............. 169

ГЛАВА 7. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ РЕШЕТЧАТЫХ ГАСИТЕЛЕЙ ...............169

7.1. Характеристика течения потока через решетку..........169

7.2. Обоснование рациональной модели решетчатого

гасителя .............................................174

7.3. Определение сопряженных глубин при работе решетки-гасителя.....................................177

7.4. Коэффициент гидравлического сопротивления решетки-гасителя.....................................180

7.5. Экспериментальное обоснование конструкции

решетчатого гасителя .................................184

7.6. Гидродинамические нагрузки, действующие на решетчатый гаситель и водобой...................................192

7.7. Гидродинамические "линейные" нагрузки на элементы решетчатого гасителя ................................... 198

ГЛАВА 8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НИЖНЕГО БЬЕФА

С РЕШЕТЧАТЫМ ГАСИТЕЛЕМ ...............................204

8.1. Типы исследованных устройств для трубчатых водосбросов-водоспусков при донном режиме сопряжения ......... 204

8.2. Результаты экспериментальных исследований устройств нижнего бьефа с решетчатым гасителем при донном режиме сопряжения ........................................... 208

8.3. Устройства нижнего бьефа консольного типа

с решетчатым гасителем...............................223

8.4. Обоснование рациональной компоновки консольных устройства с решетчатым гасителем ....................... 233

8.5. Определение профиля размываемого русла за консолью ...239

8.6. Результаты натурных обследований объектов

с решетчатыми гасителеми ............................. 245

8.7. Основные выводы и рекомендации по части 3 ............248

ЧАСТЬ 4. ГАШЕНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ СОУДАРЕНИЕМ ПОТОКОВ ЗА ТРУБЧАТЫМИ ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ ....................251

ГЛАВА 9. ОБОСНОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ СОУДАРЕНИЕМ (ДиСП) ........................................251

9.1. Концепция выбора рационального устройства для деления и соударения потоков (ДиСП) за трубчатыми сооружениями мелиоративных систем ................................. 251

9.2. Классификация гидравлических делителей-растекателей ..252

9.3. Основное уравнение взаимных глубин на участке разделения-соударения потоков ........................260

9.4. Обоснование рационального соотношения расходов соуда-ряемых потоков ....................................... 266

9.5. Дальность отлета струи от растекателя-трамплина......270

9.6. Определение угла схода (вылета) струи ................275

9.7. Определение угла бокового расширения и ширины струи...276

ГЛАВА 10.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УСТРОЙСТВ НИЖНЕГО БЬЕФА С ДЕЛИТЕЛЕМ-РАСТЕКАТЕЛЕМ ДЛЯ ТРУБЧАТЫХ

ВОДОРЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ ..........................286

10.1. Цель экспериментальных исследований ..................286

10.2. Техническая характеристика и принцип работы исследованного устройства ДиСП..............................288

10.3. Определение рационального угла наклона и ширины плас-тины-растекателя ..................................... 291

10.4. Определение местоположения (компоновки) делителей-растекателей ......................................... 296

10.5. Исследования структуры потока ........................298

10.6. Исследование размыва русла ...........................303

10.7. Исследование влияния делителя-растекателя на пропускную способность трубчатого сооружения ................303

10.8. Методика расчета устройств ДиСП ......................308

10.9. Основные результаты и выводы по части 4 ..............310

ЧАСТЬ 5. ВОДОСЛИВНАЯ ПЛОТИНА ОБЛЕГЧЕННОГО ТИПА С РЕШЕТЧАТЫМ

СЛИВОМ И КАМЕРОЙ ГАШЕНИЯ (ПРК) ....................... 313

ГЛАВА И.ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ДЛЯ НИЗКОНАПОРНЫХ РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ ............. 313

11.1. Выбор принципиальной конструкции плотины .............313

11.2. Исследования водопропускной способности плотины ......318

11.3. Исследования гидравлических режимов камеры гашения и сопряжения сбросного потока с нижним бьефом ..........326

11.4. Оценка размывающей способности потока за плотиной ПРК 344

ГЛАВА 12.ГИДРАВЛИКА РЕШЕТЧАТЫХ ВОДОСЛИВОВ .....................353

12.1. О гидравлике решетчатых водосливов-водозаборов .......353

12.2. Основное уравнение решетчатого водослива-водозабора ..355

12.3. Определение толщины струи на нерабочем участке решетки (участке свободного падения) .........................362

12.4. Определение глубины при движении потока по наклонной плоскости - быстротоку ............................... 364

12.5. Взаимосвязь коэффициента ф и коэффициента Шези С .....365

12.6. Определение длины нерабочей части решетки (длины отлета струи) ............................................ 365

12.7. Коэффициент расхода водопропускных решеток ...........367

12.8. Методика расчета и результаты исследований ...........370

ГЛАВА 13.ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ВОДОБОЙНУЮ ПЛИТУ И ВОДОСЛИВНУЮ РЕШЕТКУ ПЛОТИНЫ..............................372

13.1. О нагрузках на водобой и рисберму....................372

13.2. Результаты экспериментальных лабораторных и натурных исследований гидродинамических воздействий на плиту водобоя .............................................. 374

13.3. Гидродинамические исследования решетчатого водослива..381 ГЛАВА 14.ПРОЕКТНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОБОСНОВАНИЯ

ПЛОТИНЫ ПРК..........................................388

14.1. Определение удельного расхода через плотину

(водослив) ...........................................388

14.2. Рациональное соотношение расходов, пропускаемых через отверстия двухъярусного водосброса типа ПРК..........392

14.3. Определение удельного расхода на рисберме ............394

14.4. Натурные наблюдения за объектом ......................396

14.5. Основные результаты и выводы по части 5 ..............405

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................409

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................412

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ар - глубина ямы размыва; Ь - ширина отверстия, потока; Ъпл - ширина плиты;

В - ширина русла, водосливного фронта; с - высота стенки, растекателя; с! - высота уступа водобоя;

- число Фруда; К - ускорение свободного падения; ^.Пс- глубина потока в первом или сжатом сечении; Пкр - критическая глубина потока; , Ьнб - бытовая глубина;

Ь0 - глубина потока в начальном сечении или в водовыпускном отверстии;

Ьн - глубина погружения консоли (порога) под уровень нижнего бьефа;

11г - величина гидродинамического давления, выраженная высотой

столба жидкости; Ьр - глубина воронки размыва; Н - напор над гребнем водослива; Н0 - то же с учетом скорости подхода; ЬСа - число Карма; Ьв - длина водобоя; Ьпр - длина прыжка; Ьотл - длина отлета струи; гл - коэффициент расхода; р' - гидравлическое давление в точке;

Р - осредненное гидродинамическое давление;

Ц - расход водотока, водосброса;

С1 - удельный расход;

К - реакция гасителя;

Ке - число Рейнольдса;

Т=Е - удельная энергия потока перед напорным сооружением относительно поверхности дна водобоя;

Т0 - то же с учетом скорости подхода;

у - средняя скорость в рассматриваемом живом сечении;

W - объем;

Z - перепад уровней;

Z0 - то же с учетом скорости подхода;

м - площадь живого сечения потока;

ß=B/b- относительная ширина потока;

б - угол отклонения линии тока;

тц - коэффициент пропорциональности, относительная величина; %^2/hj- относительная глубина затопления прыжка; %KM:=hH/hKaM_ относительная глубина (коэффициент) затопления камеры гашения;

%Kp=h/liKp- глубина потока, отнесенная к критической; %0=пн/?10- глубина потока, отнесенная к начальной; Сд - коэффициент гидродинамического давления; Сх; Су- коэффициенты гидравлического сопротивления; д - коэффициент динамической вязкости; v - коэффициент кинематической вязкости; р - плотность жидкости; 63 - степень затопления прыжка.

ИНДЕКСЫ

с: - условия в невозмущенном потоке; Ф - форма сопряжения (потока).

ВСНГ - водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов; HPK - плотина с решетчатым водосливом и камерой гашения; ДСиП - устройство для деления-соударения потоков.

Дополнительные обозначения и индексы поясняются непосредственно в тексте.

ВВЕДЕНИЕ

Надежное обеспечение продовольствием, сельскохозяйственным и промышленным сырьем Республики Беларусь обусловлено дальнейшим развитием сельскохозяйственного производства, преобразованием инфраструктуры села, восстановлением земельного фонда и защитой его от наводнений и затопления; интенсификацией использования богатейших водных ресурсов для целей водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики.

В Республике Беларусь накоплен большой опыт гидротехнического и мелиоративного строительства. В настоящее время в Беларуси мелиорировано около 3350 тыс.га земель, или 36% всей площади сельхозугодий. В послевоенные годы построено большое количество прудов, ряд крупных мелиоративных систем и водохозяйственных комплексов: "Любань", "Красная Слобода", "Локтыши", "Селец", "Днепро-Брагинс-кий" и др. Суммарная площадь прудов и водохранилищ отдельных водохозяйственных комплексов составляет 3,3...5 тыс. га. В Беларуси, действует одна из крупных на западе Вилейско-Минская водная система, обеспечивающая переброску стока р. Вилии в водопитающую систему города Минска. Осуществлено крупное мелиоративное и гидротехническое строительство в бассейне реки Припять, в том числе по защите территории от затопления.

Отличительная особенность построенных и строящихся водохозяйственных объектов состоит в том, что они включают не только аккумулирующие русловые или наливные водохранилища. В их состав входят крупные рыбоводные хозяйства площадью 2000...2500 га с питомниковыми прудами и инкубационными цехами. Большинство нагульных русловых прудов площадью 100...200 га выполняют роль аккумулирующих емкостей. Такое их использование позволяет увеличить полезный объем водохозяйственного комплекса, осуществлять срезку пика весенних и летне-осенних паводков, а зааккумулированный сток использовать для питания рыбхозов, для орошения, социально-бытовых нужд, водного транспорта, гидроэнергетики, улучшения экологического состояния окружающей среды»

Применение на эксплуатируемых и планируемых к строительству объектах водопропускных сооружений с высокой материалоемкостью и стоимостью явилось одной из основных причин резкого снижения в последние годы объемов и темпов мелиоративного водохозяйственного строительства.

Проблема ресурсосбережения является особенно острой в Республике Беларусь ввиду дефицита некоторых важных видов сырья и энергоносителей. Разработанная и утвержденная правительством Республики Беларусь "Государственная программа охраны и рационального использования земель" предусматривает ряд приоритетных направлений по повышению эколого-экономической эффективности мелиорации на основе усовершенствования методов и способов проектирования, разработки и внедрения ресурсосберегающих конструкций и технологий.

Эффективное использование многочисленных мелиоративных систем, прудов и водохранилищ, их реконструкция и улучшение экологического состояния, дальнейшее мелиоративное освоение земельного фонда и естественных водоисточников - огромный резерв увеличения товарной сельскохозяйственной продукции и повышения эффективности сельскохозяйственного производства в целом. Для успешной реализации этой широкой и важной программы необходимы прогрессивные, надежные, энерго-и-материалосберегающие технологии и конструкции гидротехнических сооружений.

В настоящей работе основное внимание уделено созданию новых технических решений, усовершенствованию конструкций водопропускных сооружений массового применения, обоснованию областей их применения, методики расчета и проектирования с учетом конкретных условий объекта. При выполнении работы широко использован накопленный научный потенциал и практический опыт отечественных и зарубежных ученых, научно-исследовательских и проектных организаций и учебных заведений: МГУП, БГПА, БелНИИМиЛ, ЦНЙИКВР, МГСУ, ЛПУ, УГАВХ, НИМИ, ЮжНИИГиМ, УкрНИГиМ, ВНИИГиМ, САНИИРИ, Белгипроводхоз, Укргипровод-хоз, Росгипроводхоз, ВоДГЕО, и др.

Работа выполнена как составная часть Общесоюзной научно-технической проблемы 0.04 "Гидротехнические сооружения на мелиоративных системах" (1986г...1990гг.) по заданию 01.03.03 "Разработать и внедрить облегченные водопропускные сооружения, конструкции флют-бетоз и сопрягающих устройств и методику их расчета"; по заданию 05.01 (Пр.0.04) "Разработать и внедрить сетевые мелиоративные сооружения с унификацией и стандартизацией конструктивных элементов с учетом индустриализации их строительства и автоматизации процессов управления на системах". Ряд разделов выполнен в соответствии с решением Минводхоза Республики Беларусь (№08-10/236,1980) "Разработать рекомендации по совершенствованию конструкции и выбору рациональных типов водосбросных сооружений для прудов и малых водох-

ранилищ"; по заданию Белмелиоводхоза, Белгипроводхоза и Полесь-египроводхоза: "Разработать и внедрить рациональные устройства нижнего бьефа водопропускных сооружений для прудов и мелиоративных систем".

По результатам исследований разработаны институтом Белгипро-водхоз три Типовые проектные решения, рассмотренные и утвержденные НТС Минводхоза СССР и БССР: "Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 150 м3/с с напором 4...Юм для прудов и малых водохранилищ"; "Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4-12 м для прудов и малых водохранилищ // Белгипро-водхоз. - Мн. - 1981; "Гасители энергии водного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м" (1992г). А также Типовой рабочий проект "Тр