автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические условия работы подпорно-аэрационных регулирующих сооружений для малых водотоков

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

(МСХиПРФ)

Новочеркасская государственная мелиоративная акдемия (НГМА) Государственное учреждение Южный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации (ГУ ЮжНИИГиМ)

На правах рукописи

КАШАРИН Денис Владимирович

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ПОДПОРНО-АЭРАЦИОННЫХ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ

Специальности 05.23.16 - « Гидравлика и инженерная гидрология » 05.23.07 - « Гидротехническое и мелиоративное

строительство»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р.техн. наук, проф., Заслуженный деятель науки и техники РФ Косиченко Ю.М.

Москва -1999

Оглавление

Введение........................................................................ 5

1. Современное состояние исследуемого вопроса............. 10

1.1. Отечественный и зарубежный опыт применения подпорно-регулирующих сооружений......................................... 10

1.2. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований..................................................... 25

1.2.1. Гидравлические исследования...................................... 25

1.2.2. Исследование вопросов аэрации потока.......................... 44

1.2.3. Статические и фильтрационные расчёты сооружений из гибких материалов.................................................... 48

1.3. Выводы по обзору литературы и задачи исследований....... 49

2. Разработка подпорно-аэрационных регулирующих сооружений............................................................... 51

2.1. Назначение и область применения подпорно-аэрационных регулирующих сооружений......................................... 51

2.2. Классификция подпорно-аэрационных регулирующих сооружений................................................................ 53

2.3. Конструктивные решения вариантов подпорно-аэрационных регулирующих сооружений........................ 55

2.4. Материалы, применяемые для изготовления подпорно-аэрационных регулирующих сооружений. Их основные свойства................................................................. 60

2.5. Обоснование основных параметров подпорно-аэрационных регулирующих конструкций........................................ 64

3. Методика проведения экспериментальных исследований....................................................................... 66

3.1. Задачи экспериментальных исследований..................... 66

3.2. Вопросы моделирования............................................. 67

3.3. Экспериментальная установка, приборы и оборудование... 75

3.2.1. Экспериментальные установки.................................... 70

3.2.2. Приборы и оборудование............................................ 75

3.4. Методика проведения экспериментальных исследований....

3.5. Оценка погрешности при проведении экспериментальных исследований........................................................... 80

3.6. Описание явления истечения через новый тип водослива.... 82

4. Анализ результатов экспериментальных исследований 90

4.1. Исследование пропускной способности центральнлй части подпорно-аэрационных регултрующих сооружений..........

4.2. Исследование влияния вакуума на коэффициент расхода подпорно-аэрационных регулирующих сооружений.......... 123

4.3. Исследование аэрации при переливе через гребень водо-

слива, а также захват воздух прыжком........................... 127

4.4. Натурные исследования............................................. 134

5. Разработка рекомендаций по применению подпорно-

аэрационных регулирующих сооружений.................. 136

5.1. Проектирование подпорно-аэрационных регулирующих сооружений............................................................. 136

5.2. Технологическая схема работ по устройству подпорно-аэрационных регулирующих сооружений....................... 138

5.3. Рекомендации по эксплуатации подпорно-аэрационного регулирующего сооружения........................................ 143

5.4. Экономическая эффективность.................................... 143

Общие выводы................................................................ 149

Литература..................................................................... 151

Приложения.................................................................... 165

Введение

Актуальность проблемы. В России водное хозяйство остаётся одной из важнейших ресурсосберегающей отраслей, играющую незаменимую роль в обеспечении устойчивого социально-экономического развития страны.

В современных условиях антропогенная нагрузка на водоисточники стала настолько существенной, что без мероприятий для поддержания благоприятного гидрологического и гидрохимического режима невозможно их использование в водохозяйственных целях.

Одну из ключевых ролей в этих мероприятий играют гидротехнические сооружения.

Однако бессистемное строительство сооружений в бассейнах малых рек и каналах оросительной сети приводит к ухудшению экологической обстановки, а также их гидравлического режима.

В связи с этим для решения указанных выше задач рационально использовать на малых водотоках и каналах вместо постоянных сооружений из традиционных материалов временные гибкие, использующие энергию водного потока и легко демонтируемые после выполнения своих функций конструкции.

Имеющиеся в литературе зависимости, необходимые для гидравлических расчетов, не могут полностью описать работу данного водослива. Поэтому перед автором возникла необходимость проведения исследований его гидравлических характеристик и получить расчетные зависимости для проектирования сооружений, обеспечивающих пропуск расчетных расходов в различных эксплуатационных условиях.

Актуальность данной работы подтверждается выполнением важнейших народнохозяйственных задач, которые решались согласно тематического плана Департамента мелиорируемых земель и сельскохозяйственного водоснабжения ЦСХ и П РФ:

- «Разработка конструктивных элементов подпорно-аэрационных сооружений для интенсифицирования процессов самоочищения ороситель-но-сбросных систем»;

- «Каталог элементов ГТС для обеспечения надёжности оросительной системы»;

- «Внедрение мобильных водопереливных ГТС и реконструкция очистных сооружений, повышающих техническую эффективность работы оросительной системы»;

- Разработать « Альбом типовых решений подпорно-аэрационных регулирующих сооружений (ПАРС) для малых водотоков и каналов». Разработанные конструкции ПАРС технологичны в изготовлении, позволяют уменьшить фактическое время строительства и объемы строительных работ и облегчают процесс эксплуатации таких сооружений, а также являются мобильными и могут быть использованы в различных створах водотока. Монтируются и демонтируются в течение 3... 10 часов, в зависимости от их параметров. Эти сооружения могут использоваться для создания подпора, частичного регулирования верхнего бьефа и аэрации водного потока на малых водотоках и каналах, повышая их способность к самоочищению.

Цель работы: Разработка и экспериментально-теоретические исследования гибких подпорно- аэрационных регулирующих сооружений (ПАРС).

Задачей данной работы является:

- анализ существующих конструкций и методов по расчету пропускной способности сооружения;

- разработка и усовершенствование подпорно- аэрационных регулирующих сооружений со свободно перемещающейся центральной частью;

- исследование факторов, определяющих пропускную способность сооружения ;

- оптимизация параметров конструкции в зависимости от удельного расхода и необходимого подпора;

- разработка научно - обоснованных рекомендаций по применению под-порно - аэрационных регулирующих сооружений (ПАРС);

Методика исследований. Включает анализ существующих зависимостей, проведение лабораторных и натурных исследований и вывод формул, необходимых для определения параметров сооружения. Экспериментальные исследования гибких конструкций выполнялись на физических моделях близких по масштабу к натурным сооружениям. Лабораторные данные сравнивались с показателями, полученными на натурных сооружениях. Экспериментальные исследования базировались на известных методиках и проводились согласно отраслевого стандарта. Регистрация исследуемых параметров проводилась методами инструментальных замеров, а также с помощью химического анализа. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики, которые входили в состав пакетов программ Mathcad 7.0 и Microsoft Excel 97 для ПЭВМ. На защиту выносятся:

- разработка новых конструкций подпорно- аэрационных регулирующих сооружений;

- обоснование их параметров, характеризующих работу сооружения;

- расчетные и экспериментальные зависимости для определения гидравлической характеристик данных конструкций;

- создание технологических карт по возведению ПАРС

Научная новизна. Разработаны конструкции ПАРС, новизна которых подтверждена положительным решением на патент. Проведены гидравлические исследования ПАРС, на основании которых получены эмпирические зависимости по определению коэффициента расхода. Получены номограммы эксплуатационных характеристик ПАРС, позволяющих определить форму сооружения при различных расходах и напорах и ряд других характеристик.

Разработаны вопросы проектирования, строительства и эксплуатации под-порно-аэрационных регулирующих сооружений. Результаты экспериментальных, теоретических и натурных исследований явились основой для составления «Научно - обоснованных рекомендаций по применению ПАРС», «Технологических решений подпорно - аэрационных регулирующих сооружений» и «Альбома типовых решений ПАРС для малых водотоков». Разработана технологическая карта производства работ и проведены ведомственные испытания ПАРС в Ростовской области. Рассмотрены вопросы экономической эффективности их применения..

Достоверность результатов экспериментальных исследований и рекомендуемых расчетных зависимостей подтверждаются натурными исследованиями, а также опытно - производственной проверкой внедрённых ПАРС.

Практическое значение работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований вошли составной частью в «Научно-обоснованные рекомендации по применению подпорно-аэрационных регулирующих сооружений»; «Технические решения подпорно-аэрационных регулирующих сооружений» (утвержденных НТС Департамента «Ростовме-лиоводхоз» от 14.05.1997г., МСХ и П РФ от 03.06.1997г. и переданных ИЦ «Союзводпроект» для типового проектирования); «Технологическую карту на строительство подпорно-аэрационного регулирующего сооружения (ПАРС~2500х50) (утвержденного НТС Департамента «Ростовмелиоводхоз» 30.03.1998г.). Проведены ведомственные испытания построенных на сбросных каналах БгСМ-5 (Азовского района, Ростовской области) конструкции подпорно-аэрационных регулирующих сооружений. Экономический и экологический эффекты составили более 150 тыс. руб.

Апробаиия работы Основные положения диссертации доложены на научно-теоретической конференции НИМИ (20-22 апреля 1995г), «Проблемы ирр^гЭДЩ В Ростовской области», научно-технической конференции

(16-17 мая 1996 г). Всероссийской научно-практической конференции «Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель» (25-28 сентября 1996г), сделан пастерный доклад на Международном конгрессе «Вода. Экология. Технология» (Москва. 1996г), доклад на научно - практической конференции, посвященной 65 -летию со дня рождения Б.Б. Шумакова (28 - 29 сентября 1998 г).

Публикации Список трудов по теме диссертации включает 13 наименований, в том числе 5 нормативных документов и патент.

Объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, рекомендаций, предложений. Она изложена на 178 страницах машинописного текста, включая 62 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 156 наименований. Диссертация имеет приложения, где приведены акты ведомственных испытаний, внедрения и заключения по эксплуатации подпорно- аэрационных регулирующих сооружений.

1. Современное состояние исследуемого вопроса

/. 1. Отечественный и зарубежный опыт применения подпорно-регулирующих сооружений.

Подпорные сооружения известны еще с древнейших времен. Они использовались в Египте, Месопотамии, Средиземноморье, Китае для регулирования подачи воды на поля орошения, устройства искусственных заводей, плёсов.

Однако наиболее интенсивное зарегулирование рек Европы и Америки началось в конце ХУП-начале ХУШ века. В результате появились различные конструкции плотин и затворов [5,142]. По используемым материалам их можно разделить на земляные (грунтовые), деревянные, каменные, бетонные, железобетонные, комбинированные и др.

К наиболее ранним относятся земляные или грунтовые дамбы, так как материал на возведение плотин, как правило использовался местный; затраты на добычу материала были минимальны. Дамбы из грунта можно применять в различных географических условиях. Однако недостатком этих плотин является: ограниченность сброса расхода через гребень дамбы, наличие в теле дамбы фильтрационного потока, создающего условия для деформации, ограничение в использовании некоторых видов грунтов* для их тела и основания [90,83]. Кроме того, по существующему «Водному Законодательству...» их не рекомендуется устраивать на малых водотоках, так как это приводит к заилению русла реки [32,82,109,125,133]

Деревянные плотины (рис. 1.2.) делятся в основном на ряжевые и сто-ечно-обшивочные. Для строительства деревянных ряжевых плотин используется большое количество лесоматериалов, причем из дерева делают элементы плотин, которые заведомо служат недолго. С точки зрения расходования строительных материалов стоечно-обшивочный тип плотины является

более экономичным, так как потребность в лесоматериалах снижается в два раза, однако в этом случае 30-40% употребляемых в дело лесоматериалов служит очень недолго. Последствия гниения дерева в стоечно-обшивочных плотинах более тяжелые, чем в ряжевых и при капитальном ремонте плотину приходится полностью перестраивать. Ремонт деревянных плотин производится через каждые пять лет [32].

Для создания плёсов, улучшающих места обитания рыбы устраивают бревенчатые запруды. Самым простым и распространённым видом бревенчатых запруд является устройство, состоящее из одного или нескольких брёвен (рис. 1.1.). Однако эти запруды устанавливаются, только если на водотоках отсутствуют большие паводки [151]. В нашей стране деревянные конструкции характерны для Севера России, в связи с наличием там большого количества лесоматериала.

Каменно-набросные плотины, тело которых выполнено из камня в виде наброски, имеют повышенную водопроницаемость и поэтому возводятся с применением противофильтрационных устройств [83]. К недостаткам этих плотин можно отнести то, что наброска из камня может давать значительную осадку; возведение водосбросных сооружений осуществляется за пределами контура плотины. Для создания низкопрофильных сооружений существуют проекты валунно - булыжных запруд (рис. 1.2.). Такие конструкции хорошо, подходят для малых рек. Однако они недостаточно прочны и долговечны для рек с резко меняющимися расходами [109, 125, 151].

Фирмой Маккаферри было предложено использовать габионы для возведения дамб. Габионы представляют собой коробки из проволоки, загруженные каменной загрузкой. Преимущество этих подпорных сооружений в том, что при проседании, проволочная сетка не дает осыпаться каменной загрузке, и они повторяют очертания русла. Подобные сооружения могут применяться там, где русло состоит из мелко зернистога песка и ила, и, следова-

щ

а

^-ч /\

ГГПТП 2

Вид сбоку

Вид сверху

Рис. 1.1. Бревенчатая запруда

1-конец бревна вкопан минимум на 1,5 м; 2- водослив; 3-каменная наброска поверх конца бревна; 4-бревно; 5-жёсткая прокладка из стеклоткани; 6- прочная ткань; 7- заводь; 8-дно ручья

Вид сверху Рис. 1.2.Валунно-булыжная запруда

Вид сбоку

1-только большие продолговатые валуны; 2- природные камни; 3-гравийное уплотнение

2

I

Е

еа

йг^

ш

V

7

Вид спереди

' /// т /// /// 77//// и/ ///77?77/77/

Вид сбоку Рис. 1.3. Дамба из габионов

1-тело дамбы из габионов; 2- водосливная часть; 3-водобойная стенка;

тельно, имеет низкую несущую способность. Эти дамбы могут следовать за деформацией (поглощать её) русла реки. В отличие от предыдущих сооружений, дамбы из габионов могут перекрывать пролёт более 100 м без применения тяжёлой техники. Однако недостатком является обязательное наличие каменной загрузки, а также применение достаточно дорогостоящей проволоки с цинковым или поливинилхлориловым покрытием (рис. 1.3.) [148].

Существуют бетонные, бутобетонные, железобетонные сооружения. Однако эти плотины достаточно дорогостоящие и применимы для больших напоров. Этим сооружениям свойственна стойкость к изнашиванию, однако, их жесткость делает ремонт затруднительным в случае вымывания грунтового основания [109, 148].

В последнее время нашли применение грунтоармированные плотины. Эти конструкции были разработаны французским инженером Henry Vidal 1966 с лицевой стороной из разнообразных материалов, в том числе и из полимерной ткани [56].

В связи с проблемами восстановления малых рек и улучшения место обитания водных организмов начали применять перечисленные в