автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические условия работы закрытых водосбросов, связанные со сменой режимов течения

РГ6 од

ВСЕРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ЗАКРЫТЫХ ВОДОСБРОСОВ, СВЯЗАННЫЕ СО СМЕНОЙ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ

Специальность 05.23.16 — Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

СУДОЛЬСКИЙ Георгий Александрович

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ—1993

Работа выполнена во Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники имени Б.Е.Веденеева.

Научный руководитель:

кандидат технических наук А.М.Швайнштейн Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор М.А.Михалев кандидат технических наук, ст. научн. сотр. Т. Б. Ищук Ведущая организация: Ленгидропроект

Защита состоится « » {Л Нз 1993г. в «¿0» часов,

на заседании специализированного совета Д. 144.03.01 во Всероссийском научно-исследовательском инститите гидротехники им.Б.Е. Веденеева по адресу:

195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул.,21, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан .xffl.fr 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Ша/

Т.В.Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы .Водосбросные сооружения являются

одним из важнейших элементов гидроузлов энергетического, мелиоративного, воднотранспортного и другого назначения. Закрытые водосбросы применяют в тех случаях, когда по условиям компоновки гидроузла или в связи с требованиями организации его строительства необходимо обеспечить пропуск расходов через или в обход подпорных сооружений.

Для современного этапа развития гидротехнического строительства характерно обоснование возможности смены режимов течения в строительных туннелях - одном из наиболее распространенных типов туннельных водосбросов. Смена режимов течения часто может вызывать повышенную пульсацию давления. Учет гидродинамического давления необходим при расчетах водосбросов на прочность и прогнозе кавитации. К одной из перспективных тенденций в практике сооружения строительных туннелей относится отказ от выполнения массивной обделки на отдельных участках тракта. Смена режимов течения в таких туннелях имеет ряд особенностей. Поэтому разработка методики гидравлических расчетов необходима для обоснования таких сооружений.

Цель» диссертационной работы является проведение гидравлических исследований и разработка методики расчета водосбросов с участками тракта различного поперечного сечения. Основные задачи настояшей работы направлены на решение следующих вопросов.

1.Разработка методики определения заполнения тракта водосбросов с участками различного сечения.

2.Изучение допустимости смены режимов течения на тракте

водосброса с участками различной шероховатости.

3.Оценка гидродинамических воздействий и кавитацион-ной безопасности обтекаемых поверхностей водосбросов.

Научная новизна 1.Даны зависимости для связи глубин потока на участках резкого изменения поперечного сечения водосбросов.

2. Разработан при безнапорном режиме течения способ определения условий течения в зоне сужения для незатопленного и подтопленного с нижнего бьефа истечения.

3.Отмечены особенности смены безнапорного и напорного режимов течения на тракте водосброса с участком увеличенного сечения; определены значения приведенных расходов воды и числа Фруда для ряда частично напорных режимов течения.

4.Определены статистические характеристики пульсации гидродинамического давления при характерных частично напорных режимах течения на трактах водосбросов, различных конструкций.

5. Составлена методика определения заполнения тракта водосброса с участками различного поперечного сечения.

6.Предложен способ статистической оценки кавитационной безопасности обтекаемых поверхностей водосбросов.

Практическое значение работы заключается в том, что основные результаты исследований и разработанные положения методики гидравлических расчетов могут быть использованы при проектировании водосбросов различных конструкций, а также для обоснования допустимости смены безнапорного и напорного режимов течения на трактах туннельных водосбросов, отдельные участки которых выполняются без массивной обделки.

Практическая реализация работы . Материалы диссертации

использованы в ряде научно-технических отчетов, выпущенных ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, а также учтены Ленгидропроектом при проектировании водосбросов Тельмамского и Усть-Среднекан-ского гидроузлов.

На защиту выносятся:

- методика определения заполнения тракта водосброса с участками тракта различного поперечного сечения;

- оценки параметров потока при частично напорных режимах течения, применительно к водосбросам различных конструкций;

- статистические характеристики пульсации гидродинамического воздействия потока при смене режимов течения;

- способ статистической оценки возможности появления кавитационной эрозии обтекаемых поверхностей водосбросов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на:

- XVIII конференции молодых научных работников ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева;

- заседании кафедры ''Гидротехнические сооружения'' Ленинградского Государственного Технического университета;

- научно техническом совещании ''Гидравлика гидротехнических сооружений''(ГГС-92).

- секции механики жидкости Ученого Совета ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

Публикации По теме диссертационной работы имеется б публикаций.

Обьем работы . Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (113 наименований); содержит 125 страниц основного текста, в том числе 41 рисунок и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеннии обосновывается актуальность работы по разработке отдельных положений гидравлических расчетов закрытых водосбросов в основном применительно к туннелям с участками тракта различного поперечного сечения.

В первой главе рассматривается литература по условиям гидравлической работы закрытых водосбросов. Здесь приводятся различные классификации водосбросов.

Отмечается, что гидравлические особенности потока при безнапорном течении связаны, при значительном наполнении водосброса, с замкнутым его поперечным сечением. Для плоского безнапорного потока при числах Фруда в диапазоне:

2

0,37 < Рг = —V ¿4,2 (1)

¡?п

на его поверхности возникают остановившиеся волны (здесь V и Ь - средняя скорость и глубина потока, § - ускорение свободного падения). Плавно изменяющееся движение на тракте водосбросов может существовать лишь при уклонах дна меньше предельного. Шероховатость обтекаемых поверхностей оказывает влияние на значение этого уклона. Наличие в закрытых водосбросах зоны двухзначных глубин вызывает появление дополнительных кривых свободной поверхности плавно изменяющегося движения. К существенной деформации безнапорного потока могут приводить сужения тракта в плане и его повороты.

В экспериментальных исследованиях околокритических течений установлен ряд форм остановившихся волн: уединенная волна, прыжок-волна, несовершенный гидравлические прыжок в виде разрушенной волны или периодических слабо затухающих по длине волн. Максимальные глубины воды в них могут быть

значительно большими, чем полученные из уравнения сопряженных глубин для совершенного прыжка. Здесь рассматриваются работы А.П.Василенко, М.С.Краснитского, А. М. Курганова,

A.И.Модзалевского, А.Г.Обухова, Г.А.Руссо, A.A. Рябенко,

B.В.Смыслова, М.Л.Шаталова, А.М.Швайнштейна и других. Они применимы только при соответствующих граничных условиях.

В закрытых водосбросах в ряде случаев предусматривается работа с частично напорными режимами течения. Наиболее часто их допускают в туннельных водосбросах. Конструкция таких туннелей обеспечивает напорный режим течения лишь при максимальном расчетном и близких к нему расходах. Туннели такого типа использовались иа гидроузлах Токтогульском, Нурекском, Чарвакском, Курпсайском и других на территории СНГ, Рамганга, Биас и Тери (Индия), Мангла и Тарбела СПакистан), Дворшак н Оровилл С СИЮ, Кахора Басса С Мозамбик), Вальдека-нес (Испания), Ревелсток СКанада). В зависимости от конструкции конкретных сооружений условия смены режимов течения в туннелях могут существенно отличаться. Частично напорные режимы течения с гидравлическим прыжком зафиксированы, например, на трактах туннельных водосбросов гидроузлов Беннет (Канада), Мангла, Оровилл и Ревелсток.

В большинстве публикаций рассматриваются исследования частично напорных режимов течения либо смены режимов течения для схематизированных водоводов или конкретных сооружений СВ.И.Алтунин, Ассаад Васеф Изаг, Ш.А.Бабуков, В.Г.Иванов, К.Ю.Нечаенко, А.Г.Обухов, Н.П.Розанов, А.М. Швайнтейн, В.К.Шутько и др.).

Смена режимов течения на тракте водосбросов в ряде случаев сопровождается образованием гидравлического прыжка, перемещением воздушных полостей, пузырей и их скоплений,

>

выходом полостей воздуха в нижний бьеф, взаимодейстием гребней волн с потолком туннеля. Все эти явления могут вызывать повышенную пульсацию гидродинамического давления. Пульсация давления обычно ниже при устойчивых частично напорных режимах течения, когда уклон тракта водосброса меньше критического,

В последнее время при сооружении строительных туннелей в благоприятных геологических условиях наметилась тенденция отказа на отдельных участках от массивных обделок и переход к выполнению туннелей без обделки или с более экономичными тонкостенными из набрызг-бетона. Сопряжение участков туннеля с обделкой и без неё может осуществляться с расширением и сужением тракта, т.е. с уступами и выступами на боковых стенах и своде, наружные грани которых могут сглаживаться. Примерами таких сооружений служат строительные туннели Курейской и Курпсайской ГЭС и гидроузла Глен Каньон.

Во второй главе рассматривается экспериментальная установка и методика проведения гидравлических исследований.

Экспериментальный водовод корытообразного поперечного сечения длиной 6,5м изготовлен из оргстекла толщиной 5 мм. Он установлен в гидравлическом лотке, уклон которого изменялся от 0 до 0,02. Между входным и выходным участками водовода длиной соответственно 0,75 и 2,75 м с шириной и высотой поперечного сечения 170 и 205 мм устанавливался участок увеличенного сечения длиной 3 м. Для трех рассмотренных вариантов этого участка его ширина Ь^ и высота hy составляли 180 и 210, 190 и 215, 196 и 218 мм соответственно. Большинство опытов проведено при сопряжении участков различного сечения с уклонами наружных граней выступов и уступов в пределах стен и свода i =1:2 . С целью вос-

произведения повышенной шероховатости на участке тракта увеличенного сечения по всему периметру обтекаемой поверхности устраивались накладки из оргстекла толщиной 4 и шириной 20 мм с шагом 200 мм. Числа Фруда и Рейнольдса в рассматриваемых исследованиях изменялись в диапазонах 0,2-5,3 и

з

(0,3-2,2)10 соответственно.

Для измерения осредненной и пульсацоинной составляющих гидродинамического давления на дне и потолке водовода устанавливались пьезометры и датчики давления. Датчики тензо-метрического типа ДДТ-1, с диаметром приемной мембраны 15 мм, разработаны во ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. Для регистрации пульсации давления использовался 4-х канальный измерительный магнитофон фирмы "Вгие1 & К,зкг". Реализации пульсации давления, обрабатывалась с помощью ЭВМ ДВК-з. Число ординат процесса составляло 16384 (длина записи 164 с). При этом устранялись редко повторяющиеся выбросы и участки с "примерно постоянным давлением", соответствующие моменту отсутствия контакта потока с датчиком на потолке водовода.

В третьей главе описываются условия работы закрытых водосбросов при безнапорных режимах течения. Схема участка тракта водосброса, воспроизведенного на рассматриваемой экспериментальной установке, приведена на рис.1,а. Для расчета глубин потока на участках резкого сужения Срасширения) тракта водосброса при бурном движении в зонах выступов и уступов и при спокойном движении в зоне уступов использовалось, с учетом экспериментальных данных, уравнение количества движения. Участок сужения, при спокойном режиме течения на подходе к нему, рассматривался как водослив с широким порогом. Анализ данных измерений глубин потока при такой схеме

Л.^рч^ЧК

0

к

т-

4П| 2п Р| • С

4п|2п 01 С

2п| 01 |С

4п| 2п\0

Рис.1. План и поперечный разрез участка водосброса с увеличенным поперечным сечением Са) и расчетные схемы для бурного потока на подходе к выступам при незатопленном истечении (б-д) и подтоплении со стороны нижнего бьефа Се-и).

течения показывает следующее:

опытные значения величин коэффициентов расхода ст и скорости р соответствуют табличным значениям; влияние уклона дна водовода,меньшего 0,02 , можно не учитывать;

глубина за выступами Ьсс=(0,52-0,б)Но и расположена на расстоянии 2,5Н от них.

максимальные значения глубин потока в створе сужения,

составляют Ь =(1,05-1,1)Н ; не

Для выявления связи между глубинами потока ь и Ь до

1 2

и после выступов (уступов!) из уравнения количества движения приняты обычные в гидравлике допущения- Положение расчетных сечений с плавно изменяющимся движением устанавливается на основе анализа экспериментальных данных. Распределение давлений в створах резкого изменения поперечного сечения считаем гидростатическим, принимая по данным опытов различные предположения о величине глубины ь , определяющей реет

акцию выступов (уступов). По экспериментальным значениям параметров потока в одном из расчетных сечений на основе уравнения количества движения для прямоугольного водовода определялись глубины в другом сечении. Расчетные значения глубин сравнивались с экспериментальными. Предположения о значениях ьст= '1р1 + ^ позволили определить глубины спокойного

потока на участке расширения, а ь = Ь + а иь=о -глуби* СТ С1 ст

ны бурного потока соответственно на участках сужения и расширения с доверительной вероятностью 0,95. Формула, дающая соотношение между глубинами спокойного потока на участке расширения водосброса, имеет вид:

„ - 11*0/)

Гг = —-----. ( 2 )

" 2 <уЭ - 1)

Аналогично получено для бурного потока на участке сужения:

\ В (<\ + °с>2 " О кг =-5-5-2-(3)

с1 2 (псВ - 1)

для бурного потока на участке расширения:

1, р с *- о

Рг -- ♦ (4)

Р1

2 (ту? - 1)

Здесь: Кгс1= б?2/(й и ргР1= <*70 О " числа

Фруда; т) = ь /ь и т) = Ь /Ь - относительные глубины

С С2' С1 Р Р2' Р1

потока на участке резкого изменения поперечного сечения; й = и £>р= - относительные высоты выступов и ус-

тупов; В = Ь/Ьу= 1 - 2(3/Ьу= - относительное сужение,

а Ьу - ширина водовода на участке увеличенного поперечного сечения. Если выступы Суступы) на тракте водовода выполняются только в пределах боковых стен, то <1 = 0 и, соответственно, В = й = 0. ' с Р

На рис.1,б-и представлены основные схемы течения при бурном режиме на подходе к участку сужения. Они характеризуются значениями чисел Фруда в расчетных сечениях. При уменьшении этих значений бурный режим течения (рис.1,6) сменяется режимом с прыжком (рис.1,г). Зависимость (3), описывающая соотношения между глубинами бурного режима потока, имеет минимум, соответствующий условиям течения рис.1,в. Граничные

значения числа Фруда Кг , при которых начинается образова-

11

ние прыжка, находим из условия:

(¿Кг 2 2

—I1 *2Вг,Яе+ (2В ЯС-3К " 4Сс "с " °с + 1 = ° * <5>

Для выступов только на боковых стенах (£>с=О) значения

Кг зависят только от относительного сужения и определяются 11

с помощью зависимостей (3) и (5) в явном виде (см. рис.2,а).

а)

0}08

0,02 О

%

о-2 • -3 /

У '4 12.

к

1,0 12 1,4 1,6

4

о,4 о,з 0,2

0.1 о

К / / / / / / г

о-4 • -5Г • •• / У о

•• • • / ' я* /п 1|Ь

//

,0 1,4 1,8 2,2 2,6

Щ.

§

ОД

О,*

о

А;

о-4

О О

1,0 4,4 /,8 2,2

0,3

од о

О о о

В» [о-4 • -5"

1,0 У,4 1,8 2,2

Рис. 2.Зависимости граничных значений чисел Фруда от относительного сужения тракта Са) и примеры определения границ смены режимов течения для В=0,934 Сб), В=0,894 и выполнении выступов по всему периметру поперечного сечения С в) и для 5=0,867 Сг).

1-2 - экспериментальные точки Рг при I =1:2 и

и г

вертикальных гранях выступов соответственно;

3 - экспериментальные точки Рг при £ =1:2;

12 г

4-3 - для режимов течения, показанных на рис.1,6 и рис.1,г соответственно.

При смене прыжка бурным режимом течения граничные условия течения (рис. 1,д) получены увеличением чисел Фруда. Если прыжок расположен непосредственно перед сужением, то створы измерений второй сопряженной глубиной гидравлического прыжка (2П-2П) и глубины (О-О) совпадают. При этом граничные значения чисел Фруда п- определяются из системы, включающей уравнения прыжка и водослива (при р = 1,0):

2Рг Рг

1 г 1- 1

—-[-Ь+вРг -1 +---=й + п +•

2 I 12 J а 1 х ш пс

N1 + 8Рг -г)2 ш пс гв\г

V} ±2 >

(6)

где о = а/ь

П1 ' 1

пс

Зависимость Рг^ от относительного сужения при 0=0

также показана на рис.2,а.

Граничные значения чисел Фруда Ег и Рг для одного

11 12

и того же размера выступа не совпадают. Поэтому при числах

Фруда на подходе к сужению Рг < Рг < Рг в этой зоне мо-

11 1 12

жет реализоваться или бурный режим течения (рис.1,6) или режим с гидравлическим прыжком Срис.1,г) в зависимости от предыстории течения. Таким образом, для смены этих режимов течения характерно проявление гидравлического гистерезиса.

Экспериментальные значения Рг^ и Кг^ для трех рассмотренных на модели вариантов сужения соответствуют расчетным кривым граничных значений С рис.2,а). Эти точки получены следующим образом. На графики вида = а/Ь^) наноси-

лись значения параметров потока и пунктирными линиями расчетные значения Рг (рис.2,б-г). Затем, проводя вертикальные 11

линии в среднем между крайними точками, характеризующими режимы с прыжком (точки 5 на рис.2) и бурные режимы течения (точки 4 на рис.2), получаем экспериментальные значения граничных чисел Фруда. При выполнении выступов по всему периметру поперечного сечения водовода расчетные кривые значений

Рг^ и Рг12 зависят не только от числа Фруда, но и от относительной глубины потока (рис.2,в).

Расчетные схемы режимов течения при подтоплении участка сужения со стороны нижнего бьефа представлены на рис.1,е-и; они отличаются граничными числами Фруда и относительными глубинами потока, полученными по способу, аналогичному рассмотренному выше.

В четвертой главе рассматриваются условия смены безнапорного и напорного режимов течения на трактах закрытых водосбросов. Для количественной характеристики безнапорных режимов течения используется число Фруда VI=vг/gh, подсчитываемое для средних значений глубин Ь на каждом участке водосброса. В качестве другого параметра принят относительный расход 0=<3/41Г Г)г'5> где °г " гидравлический диаметр. Общие закономерности смены режимов течения на тракте водосброса аналогичны при всех рассматриваемых на модели вариантах участка увеличенного поперечного сечения.

Последовательность смены безнапорного режима течения напорным для незатопленного истечения рассматривается на примере водовода с участком увеличенного сечения при различных уклонах его дна (рис.3). Для безнапорного режима течения с глубинами потока больше критических характерно образование нескольких систем остановившихся волн (рис.3,а). Смена режимов течения происходиг аналогично зафиксированной для водоводов с постоянным по длине поперечным сечением. При уклоне дна 0,006 и Рг2< Рг4 перед выступами образуется гидравлический прыжок (рис.з,б). С увеличением расходов он перемещается в сторону верхнего бьефа. Частично напорный режим течения характеризуется тем, что гребни волн ниже прыжка по течению периодически касаются потолка водосброса, а также

| 1

ОгОЦЛУ

тг

И

« 67 §

(3=о,эз

яоГ ¿Г --¿Г - -% ее

Н _«4

Рис.3.Схемы режимов течения при уклонах дна водосброса 0,002 Са) , 0,006 Сб> и 0,02 Св). Все размеры потока здесь приведены к высоте водовода в выходном сечении. Числа Фруда для входного, среднего и выходного участков обозначены индексами 1, 2 и 3.

наблюдается сравнительно небольшая осцилляция около среднего положения точки отрыва безнапорного потока от свода на выходном участке водовода. При 1=0,01 и небольших расходах воды на всей длине тракта наблюдается бурное течение. Затем при увеличении расходов образуется гидравлический прыжок. Относительные расходы, характеризующие диапазон существования частично напорных режимов течения, составляют 0,5 и 1,4. Диапазон безнапорных режимов течения на тракте рассматриваемого водовода возрастает с увеличением уклона его дна Срис.3,6-в). Поэтому смена безнапорного режима течения напорным может происходить без образования гидравлического прыжка, если числа Фруда на подходе к выступам даже при заполнении водовода, близком к полному, превышают граничные

значения Рг . Тогда поток достигает потолка водовода в и

створе сужения или несколько ниже его по течению; на остальной части тракта движение остаётся безнапорным. Такой частично напорный режим течения является неустойчивым.

Режимы течения на участках тракта туннельных водосбросов, выполненных в натуре без массивной обделки, на модели приближенно воспроизводятся, если на гладких обтекаемых поверхностях из оргстекла устанавливаются распределенные по длине местные сопротивления (например, накладки). Такие накладки, выполнены на подобных натурным частях модели верхового участка строительного туннеля Тельмамского гидроузла. Безнапорные режимы течения здесь характеризуются быстрым затуханием остановившихся волн, возникающих при сужении потока на входе. Отсутствуют волны и на поверхности околокритического потока при образовании кривой подпора. Такой же в общем вид должна иметь поверхность потока и в натурных условиях. В опытах получены близкие к натурным значения коэффициента

шероховатости п около 0,024.

В пятой главе приводятся результаты исследований пульсации гидродинамического давления при смене режимов течения. Допустимость частично напорных режимов течения на тракте водосбросов может быть окончательно установлена на основании оценок гидродинамического воздействия потока.

Распределение интенсивностей пульсаций давления сг/ (отношение стандарта пульсаций а к скоростному напору в сжатом сечении прыжка) по длине участка водосброса, работающего всем сечением показано на рис.4. Расстояния х отсчитываются от сжатого сечения прыжка в сторону нижнего бьефа. Анализ указанных данных свидетельствует о следующем:

интенсивности пульсаций не превышают максимальных значений, которые получены теоретически и экспериментально для режимов с гидравлическим прыжком на трактах открытых и закрытых водоводов (для, например, водосбросов Ташкумырского и Усть-Среднеканского гидроузлов);

значения стандартов пульсаций в каждом створе на потолке водосброса несколько выше, чем на дне практически при всех рассмотренных режимах течения;

зона значений стандартов пульсаций, близких к максимальным, расположена около сжатого сечения прыжка и распространяется на существенное расстояние; ниже по течению стандарты постепенно снижаются.

Значения коэффициентов асимметрии и эксцесса ограничены диапазонами -0,5< аа<1 и -1< Е <2 . Значения коэффициентов Е преимущественно положительны и несколько превышают абсолютные величины а .

Б

Функции спектральной плотности пульсаций давления при частично напорных режимах с гидравлическим прыжком в

ч

с,06 орЬ 0,02

0 -10 20 30 40 во СО 70/п

Рис.4.Изменение интенсивности пульсаций давления по длине тракта водосброса при частично напорных режимах течения с гидравлическим прыжком 1,2 - на дне при неподтоплениом и подтопленном истечении; 3,4 - то же на потолке водосброса; 5 - данные для водосброса Усть-Среднеканского гидроузла; б - данные О.Ф.Васильева и В. И.Букре-ева; 7 - данные А.К.Хапаевой.

^ К*

л.

Ну

'С

дЖ

ш

п Дд Ж г

Ш Ш ш! Ьд

ЁЖ

А?

ир\

ч*

Р&

А

Рис.5.Расчетные схемы режимов течения на тракте водосбросов при £ < £ (а) , при £ > £ для незатоп-

К К

ленного и подтопленного с нижнего бьефа Св) истечения.

обобщенном виде удалось построить с использованием чисел

2л И

Струхаля, записанных в виде 8Ь=-£ , где Ь и V - сжа-

V с с

с

тая глубина прыжка и средняя скорость потока в этом сечении; { - частота процесса. Зафиксированы достаточно широкополостные спектры. Экстремумы функции спектральной плотности расположены в зоне чисел БЬ около 2. При подтопленном режиме спектры имеют более широкий диапазон частот.

Корреляционные связи между пульсациями давления в различных створах по длине тракта водовода существенны. На дне и потолке водосброса одном створе реализации пульсаций дав-ння синфазны.

В шестой главе рассматривается, как практически использовать материалы исследований в гидравлических расчетах. Здесь приводится методика определения заполнения водосбросов, имеющих участки различного сечения. При этом учитывается изменение шероховатости поверхности водосброса с глубиной при её различных значениях по перимегру поперечного сечения, а также показано, как определять параметры остановившихся волн. На всей длине тракта движение считается плавно изменяющимся, кроме участков входа и зон выступов Суступов), а расчет кривой свободной поверхности выполняется по уравнению Бернулли. Для ¿<£к заполнение водовода со средним участком увеличенного сечения определяется от его выходного сечения в сторону верхнего бьефа (рис.5,а). Глубины потока на участке сужения подсчитываются по зависимостям водослива с широким порогом, а в зоне расширения тракта по зависимости (г ). Положение расчетных сечений устанавливается на основе экспериментальных данных. В случае ¿>£к расчет заполненения водовода выполняется в сторону нижнего бьефа от входного сечения (рис.5,б). Глубина потока за уступами определяется по

формуле (4). Далее подсчитывается число Фруда перед выступами. При РгС1>Рг11 в зоне сужения наблюдается бурное течение; глубина потока за выступами определяется по зависимости (3). Если Рг^ , то перед выступами образуется гидравли-

ческий прыжок, а расчет участка сужения осуществляется как для водослива с широким порогом. При подтоплении водовода со стороны нижнего бьефа расчет режима течения (рис. 5,в) аналогичен.

Для оценки возможности появления кавитации обтекаемых поверхностей водосброса подсчитавается интегральная вероятность (обеспеченность) того, что мгновенное давление в рассматриваемой точке этой поверхности будет ниже абсолютного нуля:

АР

(3 (Р < ДР) = / я(рЫр , (7)

-00

где Др=0 ; д(р) - плотность распределения пульсационной составляющей давления.

Закон распределения пульсационной составляющей давления может существенно отличаться от нормального закона. При небольших значениях коэффициента асимметрии |ад|< 0,5 аппроксимировать эмпирический закон распределения возможно с помощью ряда Грама-Шарлье, а для более асимметричных распределений - используются Б^-распределения Джонсона.

Время работы зоны обтекаемой поверхности водосброса в условиях кавитации устанавливается так:

Т = г Я, (8)

где ъ - время работы сооружения в фиксированном режиме.

Учитывая, что появление кавитационной эрозии связано с постепенным накоплением повреждений, при оценке ресурса обтекаемой поверхности можно исходить из кумулятивной модели отказов. Условия появления повреждений при такой модели,

в первом приближении, формулируются следующим образом:

где N - инкубационный период кавитационного разрушения бетона; т - продолжительность работы водосброса в условиях кавитации при одном режиме течения. Такой подход позволяет оценить безотказность водосброса в условиях кавитации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Гидравлические исследования закрытых водосбросов выполнены в основном применительно к строительным туннелям, на части длины тракта которых отсутствует массивная обделка. Участки туннелей с обделкой и без неё имеют различное поперечное сечение, а их сопряжение выполняется с расширением и сужением тракта, то есть с помощью выступов и уступов на боковых стенах и своде. Условия течения на указанных участках сопряжения установлены для околокритического потока. Также рассматривались условия смены безнапорного и напорного режимов течения в таких сооружениях. Исследования гидродинамического воздействия потока выполнены при характерных частично напорных режимах течения. Результаты проведенных исследований можно сформулировать следующим образом:

1.Условия гидравлической работы строительных туннелей, часть тракта которых выполнена без массивной обделки, а участки различного поперечного сечения сопрягаются с помощью выступов и уступов, имеют ряд особенностей по сравнению с обычно фиксируемыми в туннельных водосбросах. Основная из них заключается в образовании при определенных условиях гидравлического прыжка перед выступами. Полученные в иссле-

дованиях данные могут быть использованы при расчете и других типов закрытых водосбросов.

2.Составлена методика определения заполнения водосброса с участками различного поперечного сечения. При этом разработан способ определения условий течения в зоне сужения на основе сравнения граничных чисел Фруда (см. рис.2,а) с параметрами потока и даны зависимости для связи глубин потока до и после уступов (2 ) и (4), а также до и после выступов (з). Обоснован расчет участка с выступами при спокойном режиме течения на подходе к ним по зависимостям водослива с широким порогом. В случае образования несовершенного гидравлического прыжка его характеристики уточняются по представленным экспериментальным данным. Последовательность расчета заполнения рассматривается для наиболее характерных случаев работы туннеля (см. рис.5).

3.Установлены особенности смены безнапорного и напорного режимов течения на тракте туннельного водосброса с цилиндрическим участком тракта увеличенного поперечного сечения, расположенном в средней части его тракта (рис.3). Смена режимов течения при уклонах тракта меньше критического более благоприятна, чем для случая, когда эти уклоны больше критического. Несмотря на то, чго конструкция водосброса оказывает существенное влияние на характер частично напорных режимов течения, представленные результаты исследований позволяют в первом приближении устанавливать параметры потока без проведения экспериментов на моделях.

4.Выявлена возможность моделирования условий смены режимов течения на тракте водосброса, отдельные участки которого выполняются в натуре без массивной обделки и имеют повышенную шероховатость поверхности, с помощью местных

сопротивлений (например, накладок). Таким образом, режимы течения, зафиксированные на модели верхового участка строительного туннеля Тельмамского гидроузла, должны быть близки к натурным.

5. Определены статистические характеристики пульсации гидродинамического давления при смене режимов течения. Данные о средних квадратических отклонениях обобщены для наиболее характерных частично напорных режимов течения (рис.4). Статистические характеристики пульсации гидродинамического давления установлены и для водосбросов конкретных гидроузлов СУсть-Среднеканского и Тельмамского). Указанные характеристики позволяют оценить гидродинамические нагрузки, действующие на обтекаемые поверхности водосбросов.

6. Предложен способ статистической оценки возможности появления кавитационной эрозии обтекаемых поверхностей водосбросов при частично напорных режимах течения на основе определения интегральной вероятности (обеспеченности) выбросов пульсаций давления ниже абсолютного нуля по зависимости (7). При этом опытные законы распределения пульсации гидродинамического давления аппроксимируются с помощью стандартных распределений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Тенденции усовершенствования конструкций водосбросных туннелей.- И.: Информэнерго, 1989 (в соавторстве с А.М.Швайнштейном и Т.В.ФеДуловой).

2. Особенности режимов течения в строительных туннелях, на трактах которых иммеются участки различного поперечного сечения.- Деп. в Информэнерго, 1990, ^3139-эн90.

3.Моделирование течения в туннельных водосбросах со значительной шероховатость» обтекаемых поверхностей // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1990. Т.220. С.11-16 (в соавторстве с А.М.Швайнштейном и Т.В.Федуловой).

4.Околокритическое течение на участке уменьшения сечения туннеля // Известия ВНИИГ им.Б. Е. Веденеева, 1992. Т. 226. С.22-30 (соавтор A.M.Швайнштейн).

5.Условия течения в строительных туннелях с участками тракта различного поперечного сечения //Материалы научно-технического совещания "Гидравлика гидротехнических сооруйений",1992 (в печати).

6.Исследования условий смены режимов течения за сужением отводящего участка строительного туннеля /'/Материалы научно-технического совещания "Гидравлика гидротехнических сооруйений",1992 (в соавторстве с А.М.Швайнштейном и Т.В.Федуловой ) (в печати).

tun- BHUUf. J. №■ т. iY-43