автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические и термические особенности зимнего режима бьефов речных гидроузлов

¥з 0 3 3 2

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи КОЗЛОВ Дмитрий Вячеславович

«ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗИМНЕГО РЕЖИМА БЬЕФОВ РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ»

Специальность 05.23.16 — Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре Комплексного использова ния водных ресурсов Московского ордена Трудового Красной Знамени гидромелиоративного института (МГМИ).

Научный руководитель — доцент, кандидат технически; наук Н. Ф. Юрченко,

Официальные оппоненты: профессор, доктор технически; наук В. К. Дёбольский, профессор, доктор технических нау^ Д. В. Штеренлихг,

Ведущая организация — П/О «Совинтервод».

Защита состоится ¿2. 1992 г. на за

седании специализированного совета К 120.16.01 в Москов ском гидромелиоративном институте по адресу: 127550, М<> сква И-550, ул. Прянишникова, 19, МГМИ, ауд. 201 в часов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМИ.

Автореферат разослан «

. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета — К 120.16.01 доцент, к. т. н.

Кузьмин С. Е.

Л^^аций I ОБЩАЯ . ХАРАКТЕРИСТИКА РЙВОТН

йктуальУшсть темы. Большая част!, дейстлупцих и строящихся гидроузлов нашей страны имеет комплексное Г многоцелевое) значение и длительное время (в средней 0-8 месяцев в году) Функционирует в зимних условиях. Особенности такой работы в значительной иере определяются наличием льда в бьефах гидротехнических сооружений СГГС). Поэтому одной из главных причин возникновения аварийных ситуаций на ГТС в зимний период эксплуатации являются различное лэдовас затруднения (например,заторы или зажоры льда),

.Строительство гидроузлов приводит к изменениям гидротермического и ледового режимов реки , оказывает-влияние на микроклимат , речную флору и фауну как внае.так и нияч створа плотинн.Комплексная оценка изменений природных условий при гидротехническом строительстве,прогнозирование экологического состояния водоемов,решение' природиохран-ных.рекреационных и других задач требувт информации об особенностях зимнего реяима бьефов речных гидроузлов. В связи с этим все больнее значение ириобретаит. исследования , направленные на создание эффективных методик расчета и прогноза гидравлического,термического и ледового режимов водохранилищ и нияних бьефов(ИЯ).Пе менее ваянии является вопрос разработки правил управления работой гидроузлов (каскадов гидроузлов) в зимний период эксплуатации.

Натурные исследования зимнего рягиыа бьефов гидроузлов чрезвычайно слоянн, а физическое моделирование часто оказывается дорогостоящих и не реаультативьын.О свази с этим наиболее эффективным методом исследования данной проблемы является теоретическое ревение на основе численного моделирования гидравлических н термических процессов.

Цельи работы является разработка новмх и совершенствование су-Чествуецих иетодоп расчета зикнего регнма на основе :;атег:аш-ческих моделей термического !! гидравлического р и ям с о в водохранилища и ниянего бьефа (ИВ) гцдроуэдал их взаимосвязи с факторами изменения окружающей средн. Для. достязения этой цели последовательно ре-

кались следующие задачи:

t. Изучение гидравлических, термических и других особенностей зим него режима и закономерностей формирования ледовых затруднений Оьефах комплексных гидроузлов.

2. РазраОоi на алгоритма и математического обеспечении расчета го дового термического цикла СГТЦ) водохранилища на основе обобщения совершенствования существующих аналитических методов количествен ного описания термического состояния водоеыов и водогпкин.

3. Построение физической схематизации ледогермических явлений н II гидроузла. Разработка на ее основе расчетных схем и иатеиатическог описания процессов распространения и трансформации волн попусков русле реки ниве гидроузла и их взаимодействия с ледяниц покровом иценка условий применимости выбранных расчетных схем.

4. Апробация на ПЗБЫ алгоритма и программы расчета ГТЦ водоем при решении задач прогноза термического реяиаа и определения пара метров проектируемых водохранилищ.

5. Численная реализация задач совместного движения ледовых образу ваичй (свободно плавающего ледяного поля, битого льда, нуги) и нес тационарного потока в НБ гидроузла. Сбор и обработка необходимо исходной информации для проведения численных экспериментов. Сравнс пи и результатов расчета с данными натурных и лаборатоных наблюден)'

Научная новизна работа. Разработаны одномерные математичесм ыодели медленно изменяющегося . неустанониввегося двигения потоке учитывавшие особенности ;леДовой обстановки в нижнем бьефе гидр'оуэ.1 (HHTeHrttíüííit и затухающий шугоход, устойчивый и битый лед). ..

Зсоверше'нствована и реализована на ПЭВИ методика расчета П водохрлКиАича, на основе которой изученц особенности формирован» термическбго ,ре*има проектируемого Зсть-Среднеканского водохраш Лича на-р.Колыме.

"На основании теоретических исследований задачи о совместной дв! 'Ееиии свободно плавающего ледяного покрова и нестационарного Hoj ледного потока получены формулы для расчета фазовых скоростей boj

-г-

нового возмущения,а такяе интегральное вырашение для прогибов ледяной балки-лолосн.

Исходные материалы и методы исследований. Исходными материалами для работы послужили архивные данные института Гидропроект им.С.Я. 5ука. научно-технические отчетн институтов ВНИИГиМ, МГМИ, материалы экспедиционных гидрологических исследований и ледовых авиаразведок, проведениях ГГИ и Гидрометцентром,а также груды советских и зарубежных ученых-специалистов в области гидроледотермикм и ледотехиики, гидравлического моделирования и вычислительной гидравлики, теории упругости и сопрочивления материалов .системного анализа водных проблем и применения оптимизационно-имитациоиных моделей в водохозяйственном проектировании. Для проведения термических расчетов были привлечены рабочие материалы группы ледотермики отдела специальных изысканий института "Ленгидропроект".

Методика проведения теоретических исследований основывалась на совместном рассмотрении уравнений гидродинамики и теории упругости, деленное иоделирование нестационарных гидравлических явлений прово-1илось на основе одномерных математических моделей гидродинаничес-ioro типа.Расчеты ГТЦ водохранилищ основывались на аналитических методах количественного описания термического состояния водоемов и до-юлнительиой информации о годовом ходе температуры воды на водоемах-юдотоках аналогах.

Численная реализация поставленных задач осуществлялась на ПЭВИ ипа IBM PS/ЛТ/ХТ с покоцьи программ, написанных ка алгоритмически языке FOFiTRilN-7? и разработанных автором.

Практическая значимость. Разработанные аоделм могут 'ii/ть исполь-овэнч в проектной практике для расчета тчркичссного реяима нодохра-илнц.а танке при реггей;:!! задач краткосрочного прогноза гидраидичре--ого и ледоного репивв ь ПК гидроузлов и «ьисха »1 ииачениЗ по зии -ему режиму в «пгимизачкинко-инчтациопних водохозяйствешшх моделях.

Реамноция результат" работ». Огновпые результат получен» в рлцггхе ВЧ110.Ш19НИЙ научно-исследовательских работ кафедры КИПР НГ111

л

~ J -

и наыли практическое применение в госбэдаетиых работах по теме "Bon роен эксплуатации комплексных гидроузлов в зимних условиях", а так», в хоздоговорной теме "Анализ гидроледотериических процессов в водохранилище Зсть-С.реднеканской ГЗС на р.Колыме".

Апробация работы.- 'Основные »разделы диссертации докладывались обсуадались на научно-технических -конференциях МГМИ в 1909-1991 г.г По тьме диссертации опубликовано 4 статьи. Некоторые положении дис секционной работы вошли в пособие -к "СПНП 2.05,03-84"Мостц и труби по изысканиям и //¡шектироь'аниа'ае'лезнедорошннх и автодороаных мосто вих переходов через водотики.

Обьеа (infiutti. Диссертация состоит из введении, четырех глав,вы седов по работе, библиографического списка литературы С 150 наиыено каний),приложения; содеркит страниц навинописного текста, таблиц и рисунка.

QCÏIOÉHOE СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность темы диссертации,сформулирована цели, задачи и методы'йС'Сййдоиаиий, показаны научная'новизна и практическое ирико-аиаие работы.

В нервтвй' '.'ifebo осьвцаптся .особенности зимнего режима эксплуатации комплексных гвдроузлооСКГУ),закономерности формирования и факто ри.влиящие на образование дедовмх затруднений в бьедах гидроузлов. Количественное описание термических и гидравлических процессов в водохранилищах к НО позволяет' решать такие вакные задачи как нрог аозироиание ладоього, термического и гидравлического состошша рек. кзкадоь и вояохраькпкц.ос^'г.естьлзть поиск ограничений но аилиздц i:l: \..;iùy ь u;uK!.Hiûi|,iOiino-iu;.ïSii»oiaiux (.одохозяДсткешипс иидилйх.

PftâcrUie 3i'M<\ задач дяг нарнода зииней эксплуатации КП' ц общ;!, случай трьбусг создавая уногоиериих иатосатмческьх моделей, предке-.кигаацих чш-девяш интегрирование слолшх дщ-Оереициальмх уравнений, оиись'вайцнх процессы движения водник l'ace,переноса энергш:Степла) и колебания ледяного материала.Однако высокая степень слоьиосп

Перипдив.Л1Кя голоного термического цикла (ГГЦ)

водохрашшща Таблиц;-; 1

I Ясн.ов-

I «se

I ¡ie¡wa

I дн

Т

1

Годовой чернический - цикл Спернол» и Фгси)

Термический

PSÏrM

водоем с откри-той водной поверхность»

(летний)

Г. Песенная гпштермиа

П. Петшй нагрев

ПТ.Латт-осрнчея

CCTünnH«!

HJ. Осенняя гокогерита

Критерии для определения временных гр<"41| периодов

и m¡ ьода/р-жили.та

J клало I конец

.....3 ■ ! 4.....

. -._________ ,. I ________________

t.irnn - tnp tcp - tr-r.'i

TI.Í й;тп;;сигатй нпгреп

II.,? Зачг.'длоший reirps

t,cp - tr.rn

Su - устойчиво отрицтголишй;

tliOB - КЧ-rCiIIÍIJII,

S" - устг.йчкпо отркуттедам-'Яг

tnor> - tcp .

S; - устой'-ж.' птричгггплмшй;

trwß -^ткпичум, Sn - устпйчивг птрецателыий;

trien = t,cp

t,cp - tora

i r.

Зикний терии-ческиА

р(ЖМ

U. Предчедоставное

. VCViltiülM!

(JI. Термический реадм водоема под лр.дя-

• Ш!{ ITuKpOñOM

UlI.Sacemu-ji нагрей

ten - tora tnfiB < О*С Sk - Яи -- 0.

tllOß

Sk ^

< O'C. Ян Ó.

So - устойчиво полоыгелиний; дата вскрытия уточняется по водоему-(Hfuiory; Sk и Su = 0.

Su - УСТОЙЧИВА ¡шлииш!ший; дата пскрыгия уточняется но водоемц-аигяогч Sí и Su = О'.

tliOB - tcp.

П|Ч>*1еч.г,»и: tcp - средня » im п.у'ччл- Ttwu^wj}« wwi.'C; ' 't¡.v - üc-r.e[iKi:oi:ni44 н/йпокищч ri<hn,"С; tora - Tf-CHWypa ни.-н ц^до ¡,e¡ (.-'.ней Сс«с»лк«..Л> rutera Ku ïHiiùii lia nDjiiiâ'i-LiÇij'ori; (чеч

ТййШ^пуре НйпЗолЬИей ПЛОТНОСТИ Ho.nj);

5o .- пот«« гепла, доаддой через oiSpHiya едода

wöepxnüUb ЙЦДОДОМОД; fi? - :«![!«•«гиьгмя cict;-:isj№V,4 теплого! о нонжа;

оекмлйзма li.-iboniü'o ¡итока ou счет iu¡.~f>i-¡HH.

и'подробности многомерных математических моделей.сопряженная с нови-ыенными трудозатратами при их реализации и отсутствием необходимой исходной информации,зачастую не является гарантией получения точна* и'адекватных натуре результатов. Поэтому в практику водохозяйственного проектирования внедряются ,как правило,одномерные математические модели термического и гидравлического режимов ( В.П.Рогунонич, В.И.Корень.Е.И.Дебольская и другие).

В диссертационной работе предлагаются некоторые варианта таких моделей,которые могут бить использованы как в составе оптимизационно-имитационных моделей КГЦ , так и самостоятельно - в работах по проектированию ледовых и термических режимов бьефов ГТС , а тш«е краткосрочному прогнозу гидравлических характеристик 1Ш гидроузлов ■в зимний период эксплуатации. , ' Вторая глава содержит анализ основных особенностей Формирования термического режима водохранилиц.которне в значительной степени зависят от проточности и морфометрии водохранилищ.

При исследовании термического ремима любого во-доема обычно исходят из его годового цикла,выделяя в'нем но те« или иным критериям характерные периоды и фазы , в пределах которых схематизация термических процессов имеет свои особенности. Анализ гидроледотермичес-кого рекима Колымского и Зсть-Среднеканскогп водохранилищ на р. Колыме,выполненный автором,подтверждает положения,выдвинутые В.Б.Пук-лаковым,о том,что в основе деления ГТЦ на отдельные временные периоды может левать перестройка структуры тенливиго баланса при смене знака основных его составлявших.

Сохраняя преемственность периодизаций ГТЦ, предлоаенних в работах К.Н.Рсссииского и М.П.Кравцовой , А.И.Пехспичп и В.Е.Еидкьх , П.н.Па талиной и Г.Л.Трегуб, выделено семь периодов ГТЦ, седерЕаиис и критерии сиены которых приводятся I) таблице 1.

Изучение термических особенностей летнего к зимнего режимов су--ц'ествувщи* и проектируемых водохранилищ с последдвдей оценкой влияния этих особенностей на гндроледотериику НС ьизможно на основе

-Я"

теоретического исследования данной проблем, посредством, например, численного моделирования термических процессов в бьефах гидроузлов, В основа алгоритмов программного обеспечения численных экспериментов должна быть полоаена математическая формулировка задачи, а следовательно и нетоды количественного описания термического состояния водоема,краткий обзор которых приводится в н.2.2 диссертации.

Бее методы можно классифицировать на три грушш¡численно-аналитические (II Л1, Вернадский, О. Враславский, К. И. Ро ссинекий.й.й. Пивоваров, П. С. Еородкин.й. Оехович, В.1Г5идких,0.0. Васильев,В, Овон^^ Пелолипецкий и др.), методы , основанные на подборе водоема-аналога СГ.В.Верещагин, К.П.Воскресенский) и на составлении эмпирических связей между температурой воды и определяющими ее факторами CK.И. Россинский.М.Ф.Колодин).

В условиях плоской одномерной задачи для случая, когда теплопередача вдоль потока пренебреяико мала по еравнедию с переносом тепла, изменение температуры воды мояно описать упрощенным уравнением теплопроводности:

где "X - коэффициент теплопроводности.

Решение уравнения (1) производится при определенных краевых условиях для конкретных гидротермических задач, математическая Формулировка которых выполняется в соответствии с термической классификацией водоемов по проточности и глубине. По известным аналитическим рененням уравнения (1) в соответствии с принятой нами периодизацией ГТЦ была разработана программа расчета "ТЕКИ" (для ВЗВЮ, с поиощьв которой била изучена годовая термическая структура ВС проектирующегося Нсть-Среднеканского гидроузла на р.Колыме в характернее по водности годы.

Расчеты показали , что тервическая принадлежность водохранилища сильно зависит от водности года и рвкииа работы как Колымской,так и самой Яеть-Среднекаиской ГЭС, Независимо от водности года в летний

I 1 )

период BD исследуемого гидроузла можно рассматривать как проточно! неглубокое водохранилище; в зимний период .многоводного и средней ного года (за исключением участка выклинивания кривой подпора) -ке проточное,глубокое,а'в маловодные годи-скорее как проточное-ыелко( В средневодные годи к наступлении) зимы в воде сохранится • больш количество тепла,чем в/многоводнее и маловодные годы. Сроки появл! ния осенних ледовых явлений с вводом в эксплуатации 1)сть-Среднека( ской ГЭС будут ггозке бытовых в среднем на 7-12 суток.Наиболее поз/ ние даты наступления ледостава соответствуют зимам многоьодних л» (середина первой декады ноября) ,т.к. для зтих. условий высокая ст( пень проточности проектируемого водоема сочетается с повывшнпш расходами Колымской ГЭС,

Различия в формировании терыическиго ремима Нсть-Среднеканско1 лодохргшилица в маловодные и многоводные годы существенно влияют i термический и ледовый реянм НБ.Так в многоводные и средневодные п ды более высокие температуры сбрасываемой в 1Ш воды (1,5-2,0'С) б! дут обусловливать больпуи,' чем в уаловодпые годы длину приплатинш полыньи, размеры которой окажут влияние на экологическую обстапов! в 1!Б, а такее процессы трансформации волн попусков и возможное образованна ледовых затруднений. Таким образом, особенности форы; рования терщики нодсхраннлищ в сочетании с дпнамнческши услоьня: производства поисков на ГЭС являются основной причиной изменен термического*и-гидравлического рекиков реки ниже плотини,

В третьей главе выполнены- постановка я построение иатематиче кой модели одномерного медленно изменяющегося неустановивзсс1?о движения патока в IIB гидроузла для различных гигшо ледовой обет, нивки (ЛО).

¡L'etíTcí: ограикчешшос число работ .посвяценнвх вовросаа изучги нестационарного яьньенка б водоеиах и водотоках с несвободной нов кностьь, которое lo^ií разделить на две rpy.inu: :.) :,i.>j'ien:¡e взаагодойствкк canouuoroí битого) льда с идеальной ;л-костьа и иотенцяалыш!1 иолеи скоростей е неограниченно;: «о ллоца

)одоене (Д.Е.Хейсин,/!.Й.Тимохов),в гон числе с учетом влияния неод-«родности видкости (А.Е.Букатов.Л.В.Черкасов); *

I) исследования, учитывавшие гидравлические особенности течения в юдледннх речных руслах в эмпирическом законе сопротивления уравне-«ия двиаения открытого потока Сй.С.Груиевский.И.II.Соколов и (¡..Н.Ковалевский, Е.И.Дебольская).При зтом остаются мало изученными вопросы взаимного влияния свободно плававшего сплошного!битого) льда и вол-1ения, вызванного попускои па гидроузле,а также влияния вуговых об-)азований в Ш> на процессы трансформации волн попусков.

В диссертационной работе рассматривается случай только нгпрерыв-тх волн,отвечавших медленно изыенящемуся неустановившемуся двине-1ИЕ потока на участке 110 гидроузла для условий широкого русла и :вободно плававщего ледяного покрова (ЛП).

¡Три описании распространения волны попуска необходимо учитывать, »собенности ледотеркического режима по длине водогока.Для этого на-1И била принята упрощенная схематизация ледотернических явлений п Ш гидроузла (рис.П, построечная на основе физической модели,предложенной. (1.11 .Пехпвичсм. В соответствии с принятой схематизацией III) юане условно разделить на три характерный' участка: открытой водной юверхности, иугообразованкя-ащготраизитл и устойчивого ДП. В зависимости от метеорологической обстановки и гидродинамических условий !Л кромке ЛП мояно классифицировать три типа ледовой обстановка /10): ¡агухаш^ий ыугоход у крокли ЛП (1-й тип ПО) , н:пенс;1в;Гчй иугоход в фшшшчшой полипье .с занесенном пуги под крпкку ЛИ тки Л0) и 1тсутствие ггугн в приплигиниой полинье (3-1) тгл /10?.

Иа основе дразнений садодкнаикки и теории рругостз при припя-•ая допущениях в теории длинных воли п теории и.?("»ба тонких шметин, юдвергаии.ихся налим прг.гмйа'л, были получены уроттнмя совместного ¡виненич свободно плавающего ПП и нестационарного подледного потока:

Ш) 'ИЫ " -

и ** Зх " (2)

зимние похолодав

Реки*I:нас)ш шешь кромки ледяного покрова

1л-уишныглется, ХхХк

стабильные метеоусло&ия

Рекин11: стабплюа! [ия кромки ледяного покрова

1.1Нюстояии.Хо-Хк

зичние оттепели и

весенние потепления

Режим! II:отс туплениэ ■ кромки ледя■ кого глзкрова

!.п-уведичивается,Хо>Хк

участок "чистой води" или открытой подпой поверхности С створ гидроузла -створ начала нупюбразова-ния Ьим нулевой изотермы)

2

I

участок мугообразошшя-(створ начала иугообразования (или кулевой изотермы)- створ кромки ЛП)

_ 1 _

- г~

и < и*

затухание ку-гохода

смерзыийсм

ьуго-ледяной

покров

В у\и

куга заносится течением под кром5у ЛП '

возьшш зааори под ЛП

участок устойчивого ледяного

ПОКрШЯ

участок "чистой соды" или открытой подпой поверхности (створ гидроузла - створ кромки /111)

участок устойчивого ледяного по!фова

Примечания!

и* - граничная скорость,при которой скопления нуги ■ заносятся под кромку ЛП; определяется по (Ьормлле; Ц* - 0,154ч/С1-е)вп,,где е - пористость шуги, К,-глубнна потока на кромке. 1л - длина яришштишей

полшьи, Хо - координата створа , нулевой изотермы, Хк - координата створа кромки ЙП.

Рис. 1 Схематизация ледмерыическот режима но длине Ш гидроузла.

^o 'v

7)ЛМ + D h & - o n (\)

где ízCx.t) - координата поверхности "вода-лед",

qH - давление нестационарного потока на ниаивп поверхность

fifi толщиной hA , Ра ~ давление со сторони атипсферн, u ,h - скорость и глубина подледного потока, рк, р - соответственно плотность льда и води, Co.Ro - коэффициент Нези и гидравлический радиус подледного потока,

'J) - цилиндрическая хссткость пластины. Уравнение (4) является граничным динамическим условней па но зерхности раздела "вода-лед".

Применение линейной теории малых возмущений к системе уравнений [2-4) позволило получить зависимости для расчета -фазовых скоростей эаспространения прямой положительной волны при наличии на поверхности потока сплошного свободно плавающего (5) или битого (б) льда [плотной аупО: *

С{ = % дЫ ' (0)

}( - волновое число, у0 ,Ьв - глубина и скорость установившегося до попуска потока.

Исследование зависимостей (5,8). для различных физико-ыехапи-1еских характеристик льда ( ЬА , рл , 2) ) и установивиегоея длинноволнового возмущения показало,что наличие сплошного или йито-•о ЯП оказывает незначительное влияние на скорость распространения непрерывных волн,что согласуется с выводами Д.Е.Хейсина. Это позволяет применять для расчета трансформации волн попусков в НБ ураннн--

нич медленно изменявшегося неустановившегося движения для открытых русел,например,в форме Сен-Венана (уравнение(З) при условии

ах.

Тогда наличие на поверхности потока свободно плавающего льда С 3-й тип Л0) или сплоченной всплывшей нуги в условиях затухающего ыуго-хода (1-й тип ЛО1 мояно учитывать, например,коэффициентом верохова-тости нижней поверхности ыуго-ледяного покрова в эмпирическом законе сопротивления для уклона трения в динамическом уравнении (3).

Наличие нугообразцвчего участка в 1Ш ГЭС в период зимних пох.о-лоданий при услонии наснцения иуги водой и отсутствии промерзания верхней части тутового ковра,соприкосащегося с внеиней средой,позволяет рассматривать речной поток как двухслойный, у которого верхний слой иуго-воды имеет меньшую плотность ( ) по сравнению с ниьним слоем "чистой воды"(^Э2). Что справедливо линь для 2-го тина ЛО,который характеризуется наличием отчетливой границы мекду участками вуготранзита и устойчивого ледостава. Натурные наблюдения, выполненные В.П.Берденниковым и Й.Н.Чивоным, показали, что в условиях резко очерченной кромки ЛП затухания скорости иугохода на подходе к ЛП .как правило, не наблюдается, а ледовая обстановка на иугоносном участке характеризуется равномерной густотой яугохода и устойчивой механической стратификацией потока по глубине.

Принимая во внимание допущения о том , что переходная зона от "чистой воды" к слов муго-води сводится к поверхности раздела,которая при установившемся до попуска р«г-име считается плоской и плотность каждого слоя по вертикали - постоянна , медленно изненяяцесся ниустаиоьиввееся двиаение на шугоноскок участке НБ и период зиииик похолоданий можно описать системой уравнений:

г д х с с)

*

j-JuA) ^(^)^^f-JP^ ^gf CD)

где: \рг~ const, - const, по глубина слоя h ,

Т V„ -соответственно касательные напряжения на границе pan-ш у /

дела слоев и '.на дне (для их расчета применим на.; и-в

уравнении (3) ( при условии -^Ш-Ц- -0) гипотезу о связи

О

турбулентного. касательного' напряжения с полей осред-ненных скоростей), f£ '-коэффициент фазового перехода "вода—>внцтриподкий лед", допускающий, что весь внутриводннй лед идет на формирование нуги; количественное описание Гг «окно выполнить в соответствии с рекомендациями Н.!1. йбраменкова. И связи с тем,что плотность верхнего иугоносного слоя может меняться по горизонтали,уравнения (7-!0) долвны бить дополнены уравнениями состояния изменений плотности J)± (например, в форме одномерного уравнения нереноса-дмМузии).

Превде чем приступите к расчету двиаения двцхнлотаисгноги потока на аугоносноы участке НБ, необходимо установить будет ли пул заданных начальных и граничных условиях устойчивое плотностное течение. В первой приближении в качестве критериев устойчивости иозно использовать значение скорости (определяемое по эмпирическим формулам В.М.Потапова, О.Г.Загарона), при которой сохраняется целостность вугового слия. По даншш натурных наблюдений С.Я.Вартазарова. 0.С.Вавилова, д.П.Рыизи устойчивость дугового слоя будет обеспечиваться при средней скорости п гылеречном сечении потока на нревааа-"Чей 1.0-1,3 м/с. Для случаев,когда скорости течения больие 1.5 м/с, двизшше сильно тирбулазованиога '¡угомосного потока будет, по-види-ho'.nj .отвечать ураьненини 1>звкеьнйсу;.сП sh«;;octii (Й.И.Илкксшееч) и н данной работе не рассматривалось.

В практике проектирования рекииов зимней эксплуатации НБ гидри-

' ' -л-

узлов важно знать характеристики поведения ЛП в период попусков или пропуска паводка (а именно, колебания, деформации,места разрушения) •с цельи прогнозирования возможных ледовых затруднений.Стандартной расчетной схемой этой задачи является модель одномерной линейно деформируемой гголубесконечной балки-полосы на упругом гидравлическим основании с идеальна« двусторонним контактом.

Собственные колебания балки, имитмрувщей ЛП,можно огшсать внра-лериек: /л/з

« /е^Сезрх + сю

где: -прогиб и угол поворота кромки ледяного покрова,

у -частота, Ф -предельная частота колебаний,

-У к 3*> связанн зависимости Р~Ч ¿/Ъ Деформации ЛП начинают проявляться с момента времени когда волна попуска достигнет кромки льда.Непрерывная волна при поднырипа нии под свободно плававший ЛИ вызывает отклонение кромки в вертикальном направлении,что соответствует прогибу Г и углу поворота ^ . Значения Г и ^ могут быть найдены из численного решения уравнений неустаноаивиегося движения потока для точки, соответствующей кромке ЛП. Расчет ЛИ на изгиб по допускаемому напряжения на расгяаение или скатие с использование» интеграла ПП позволяет определить места разломов ледяного нол.я,а также ориентировочные разыеры льдин и суммарную длину участка разрушения 1р.Сравнение 1.р с допустимой длиной ноля из сомкнутых у кромки льдин 1.доп (полученной.нанрииер.по эипи-, рической зависимости Й.И.Чквова), позволяет спрогнозировать возможность начала процессов подныривания льдин под кромку и их торошелис, В четвертой главе приводятся результаты численных реализаций на ЭВМ комплекса нестационарных гидравлических задач для различных типов ледовой обстановки в ЦБ гидроузлов, а также результаты поверочных расчетов скоростей распространения волн попусков в потоках с несвободной поверхностью по формулам (5,б).полученным в приближении

- 1Ч~

линейной теории малых возыуцепий.

Donpoc и скорости распространения вели« попуска f.f в 1Ш при наличии па поверхности потока ледовых образований представляет интерес .например, для назначения правил управления работой гидроузлов в зимний период эксплуатации, прогнозирования уроненного реаика и расчета времени добегани.ч начала возмущения до створов водозаборов ки.л другие инженерных сооружений в lili гидроузлов (мостов .переправ.дааб).

Оценка влияния ледяного покрова (в натурных условиях) или имитирующего его покрытия (к лабораторных условиях) на скорость распространения волн попусков óii.iu; приведена пани пи основе w(in;pnaitn>; наблюдений ГГИ в ЯП Нкяне-СырскоД ГЭС и зисперикентллышх д,»ш/х лабораторного исследования движения волны попуска и потоке с несвободной поверхностью,полученные в гидравлической лаборатория КНИЙГи!! и.т.н. И.В.Еаршшшм.

Основной материал лабораторных исследований содервал !>«.'• чип з распространении крутых быстра изменявшихся полк перекецршгч при свободной и несвободной поверх.¡ости. R качестве гибкого бе;монг>ит-юго покрытия (П-О),икйтнрувпего сп.г.пчсшшй битнй под, приценялась ;вязаннал из тонких деревяпних планок циновка. Рабочий участок лот-(а составлял 12.5м. Длина покрытия равнялась 7.2м при пнрипе платы 15мм и зазоре иеяду икни 2-Лым. Изучение параметров волны проводи-шсь при помоги киносьемки.

В результате просмотра 3? кинограмм ¡ш отобрапи -1 кинограивы тснространения волан попуска ко "чистой воде" и 4 ¡шнап-акуч г.< :во6идио плавав,{им беячонентни* покрнтиек,отнйчаиция цслойтч хиьей [ой задачи ((jops.jíiiU S.0) ):м<'»лие кинкбання ¡müpimu !ijPjVt/Ii0;t). t-G .?. /[¡и ик&денно юнеияацчися я»»жс;.иич потока в рус ял с. гкгзначнтс^окиь •рениеа (лоток из оргстекла) и практически пулевым уклон пи дна U-Q.OOÜi ).3т;ш условиям отвечали опиты, в которых весь oöi.eu запуска роходнл и пространстве под гибким покрытием.

По результатам обработки кинограмп были определены значения экс еряментальных Cfa.ílo наблюденным длинам волн.нараиетрам установив

«егося до попуска движения потока Сиа 1 и характеристика« покрытия (1>д , рА ) но Формул о (Б) были вычислены теоретические скорости СГт. Перемещения гибкого покрытия по кинограммам, а также сравнение расчетных величин СГэ. СГт и скорости волны,вычисленной по формуле Гагранва ( СГл ->/0+/о'>о '.показали,что нестационарный волновой процесс при наличии на поверхности потока сплоченного битого льда протекает более недлинно, че« ¡1а "чистой воде" , его формы сглажены и плавны;покритие уменьшает высоту волны,сокращая при этой длину воз-куцения. Влияние характеристик покрытия (1|л ) на скорость распространения волны попуска существенно лимь в пределах относительно короткого участка вблизи створа возмущения. Па более отдаленном от кройки участке лотка основную роль в этой процессе,по-видиыому,начи пакт играть силы трения. Аналогичные выводы о превалирующем влиянии трения на процесс трансформации непрерывных волн попусков при наличии на поверхности потока сплошного ЛП были сделаны по результатам обработки натурных наблюдений за неустановившемся движением в ИБ Нижнь-Свирской ГЭС на р.Свирь.

йатериалы натурных экспериментов в ИБ Никне-Свирской ГЭС были нами использованы также для проверки математической модели одномерного медленно изменявшегося неустаноиниигося движения потока в условиях расчетной схекы.соответствующей 3-му типу ЛО.В качестве расчетного попуска бил принят гидрограф утреннего сброса (3/11-1351 г. Метеорологические условия в период проведения экспериментов оказались самыми теплыми за 35-летний ряд наблюдений,Переохлаждение водя в русле р.Свирь нияе ПС практически не наблюдалось, что при нормальной ветре не пызннало пугообразования н приплотинной полынье.Постом у ЛО (оответптвовала условиям отступления - стабилизации п;»ош;«.

Расчеты, внно .шекнке на ПЗВИ ТВ!1 ГЯ/ПТ по программе , алгоритм которой базируете« на численном методе конечно-разностной опрокси-иаццч уравнений (2,3) .по явной рпзнопной схеме Лапса-Вендро^фт, пп:;плили, что «золил утреннего попуска достигала ирокки ЛИ через ЯЛ минуты ппеле начала сбросов на ГЗС, Разруисиие устойчивого ЛГ

паблшдалось в пьрвнй час трансформации попуска на незначительно« но длине участие в. зоне кромки при максимальных нанря&ениях. ь ЛП Ь > 0.35 НПа. Максинальнне значения прогибов,при которых наблюдалось разрушение ледяного поля «равнялись порядна 0.043 м. Сравнивая полученное по расчету 1,р = 2С0-Я2Пн с Цом-СОВм С вычисленное по Г!.'!. Чивону) , нолно констатироьась, что иереворлчившыя и гн.дячрч; .:.икя льдин под кринку не будет, что согласуется с данники набгадопкЛ за ледовой обстановкой в JIR в период проворонил эксперимента. Корргля циошшй пипяиз натурных и расчетных продпльпкх npoij'.innft. поверхности потока, проведенный' с иггояьг.ованиом стандартного пакета программ "STflTGRflF" показал хоронув сходимость патурпнк и расчетных кривых (Кг-0.87- О.ЯВ).

При выполнении расчетов неуг.т.товивиегося двигепия п условиях нас туп пения кромки ЛП и затухавшего иугохода в приплотинпой пипппьо был принят гидрограф утреннего попуска на Горьковской ГЭС (р.Волга). Начальные гидравлические условия соответсвовалх незначительной сред ней скорости течения порядка O.líln/c и толщине иугового ковра (Я пк.

По результатам измерений расходов воды,морфометрическии упракте 'ристикам русла,известному закару уклонов водной поверхности ьа гид ростворах у г.Гиродца и с.Работки нами бмяи пнчи.менп пркгедепш,.; козф'Т.ициенты Зези Со для участков затукшцего лугохода и сйпоунлго .ледостнва. По известным Со с ¡п. пользованием Фораули йашпшга , били , вычислены приведенные коэффициенты мероховагости для хоракгирнн* •яедотерыических участки» Сзатухающего ¡ьугохода н устойчивого ледостава). Численные ¡расчеты были проведаны на ЯЗВИ, Коррелцционнкй ana лиз' нотурннх я расчетах дани.чх показал, что коэффициент норреяяпми легыт в пределах Кг -О.ОУ-О.ЗЗ.что говорит о хороной схндинос iíi натурных и с-кснеринентальных кривых. ,

3 параграфе 4.5 рассмотрен припер численной реализации модели неустаповивзегос.ч движения волны попуска при наличии в ПО участков открыто;'; видней ncnepííüoc:;! иуготраязита (2-й тип ЛП). R уг.иыичх слабой турбулизацин в мугоносном слое и незначительного изменения

плотности куго-водяной клеен п продольном направлении изменение -^р^ б к л о принято по линейному закону. Ото позволило закинуть систпнс уравнений (7-!Я) боз привлечения трудно разрешимого в условиях стугс поеного потока уравнения псрсиоса-дифлучии.

Тестирование програк^в для ПЭР.!' !!)!! Р5/ЛТ , реализующий явнуя: разноетнцв схему двухслойной одномерной задачи, проводилось на двух методических примерах. Тестонне расчет» распространения волны прорыва низконапорной плотины позволили получить не только отметки поверхности й^го-води, но. и определить положение внутренней границы раздела иугоносниго потеки, а также обгеи насыщенной водой нуги в лотовой части волны и с<«.рскть ее распространения,что особенно ваяно для прогнозирования ледовкх затридквний.

С более обцем случае.когда двухслойная схематизация нег.тацио-нарнчх гвдравАических нроцессог. на кугщрапзишок участке С-удет .допускать значительные изменения плотности слоя муго-воды по горизонтали, динамические схем» уравнений (7-1 С) долины работать параллельно с схемой переноса-дк.роузии. Этот наиболее слоеный случай постановки нестационарной задачи шуготранзита требует качественных тестовых данных физического моделирования неустановившихся процессов в иугоносн&х потоках и кокет стать предыетин дальнейших исследований.

ССНВШШЕ В ¡11) О ЛИ ПО РАБОТЕ

1. Лровсдешше теоретические и числешше экспериментальные исследования позволяют представить как единое целое гидротермическую систему "водохранилище-ЦП гидроузла",а такяе более полно изучить гидравлические, технические,ледвиче особенности зимнего ровика и закономерности формирования ледовнх затруднение в бьефах гидроузлов.

2. Г) работе получены в виде систем лад'-ренциалькцх уравнений в частник производных (?.-А, 7 - -1П) расчетнне математические модели одноуер-ного медленна кзиеиящс! лея неустановившегося двивения потопа в широком призматической русле,учитывавшие особенности ледовой обстановки в 1!Б гидроузла (интенсивный и ^атух-'ьжий шугоход, свободно пллна-

-и»

юний сплошной и битый лед). Сопоставление результатов расчета с дап-ннни натурных экспериментов"в НП Нлжчесвирской и ГорьковскоЯ ГЗС подтверждают возможность применения разработанных моделей при р'^с-нии задач краткосрочного прогноза гидравлического и ледового режимов в НС 'гидроузлов,а также поиска ограничений по зимнему резиму и омти мизационно-имитационных моделях.

3. Па основании теоретического решения задачи о совместном двименя-и свободно плавающего ледяного покрова и нестационарной! подледного потока получени формулы для расчета фазсвих скоростей волночого возмущения (5,6), а такав интегральное вирдииние (I!) для собг-твпн-них прогибов ледяной балки-по поен при подиириппнии полон ггопускл под кромку ледяного покрова. Практическое причинение полученных зависимостей (5,В) связано в первую очередь с. ровением задач о распри странении волн попусков в ЯП гидроузлов с период ледостава, а также для проведения качественных опенок влияния гидравлических'параметров установившегося до попуска движения потока (Ь0 ,ч0 ) и физиио-ивхл ■ нических свойств льда (Е.ЬЛ ) на характер последующих волновых процессов.Прогнозирование мест разругаения свободно плавакщего,однородного по физико-механическим свойством ледяного покрова позмояно с помоцьи интегрального выраяения (11) для продольных прогибов 7.(х,Ь) совместно с условием прочности при изгибе,

4. Па основе методики расчета годового термического цикла водохранилища изучены ос.обенности формирования термического резина Исть-Среднеканского водохранилича на р.Колыме.Выполненные расчеты термического рекима СБ Нсть-Среднеканского гидроузла показали,что.изме-иение термической классификации исследуемого водоема от летнего сезона к зиинену и в различные по водности годц определили особенности его термического состояния.в структуре годового термического цикла.

- /у-

• По теме диссертации опубликован» следующие работы:

1. Вопросы эксплуатации комплексных -гидроузлов в зимних условиях// Гидравлика мелиоративных каналов,коллекторов,сооружений и трубопроводов, К.:КГМИ,1383.(в соавторстве с П.Ф.Врченко)

2. Распространение волн попусков в нижнем биа$е гидроузла при наличии ледяного покрова.Леп.ПЕИТИ МВХ СССР.внп,4,1983 (К 651 от 39. СО.83).(в соавторстве с И.в.йрчешм )

3. (! возможности моделирования процессов' заторообразавания в ПБ гид роцзлов//Сб,:Вопросы гидравлики каналов,трубопроводов и гидроте* нических сооруяений.й.:ИГКИ,1330,(в соавторстве с П.Ф.Врченко)

4. Неустановившееся движение воды в юироких призматических русла* при наличии свободно плавающего ледяного покрова на поверхности потока.Деп.ЦПИТИ Ш СССР.яып,5.135)0 (К7!3 от 20,11.90),

П. Раздел.7. Г'Роечетк ледового реаииа (н'к'Чв соавторстве с Я.А.Кос-телянцеи) и раздел б,'"Ледовый режим дарэгрнровлштх рек" в Пособии к С1Ш 2.05.0Л-П4 "Кости и трзбн" по изыскании и проектированию недезнодорояних у. «зг,тодорож;;их мостовых переходов черег вод<1тпкиШШ-ЭР),'М. :ППТИ"Тра/гсстрой", 13.9??,

-2.0-