автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Гидравлическое обоснование методов расчета и проектирования концевых участков напорных водопропускных сооружений с вертикально восходящим выходом потока

Расуанандрасана Мари Жозефин

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ НАПОРНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ВЕРТИКАЛЬНО ~ - ВОСХОДЯЩИМ ВЫХОДОМ ПОТОКА

Специальности: 05.23.07 - Гидротехническое строительство

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 2 ЛЕН 2010

Москва-2010г.

004615594

Работа выполнена во ВГОУ ВПО "Московский государственный университет природообустройства" на кафедре "Гидротехнические сооружения"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бахтин Бронислав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ханов Нартмир Владимирович

кандидат технических наук, доцент Юрченко Александр Николаевич

Ведущая организация: ЗАО ПО "Совинтервод"

Защита состоится декабря 2010г. в 15~ часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Отзывы по диссертации можно отправлять по адресу: МГУП, 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.19, а также по факсу: (499)976-10-46 или по электронной почта: mailbox@msuee.ru

автореферат разослан ноября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук:

И.М.Евдокимова

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Решение проблемы гашения избыточной энергии потока при его сопряжении с нижним бьефом и уменьшения размывов за концевыми участками открытых и закрытых водопропускных сооружений не теряет актуальности на протяжении многих лет. Каждый из возможных режимов движения потока -безнапорный и напорный имеет свои достоинства и недостатки. Сооружения, работающие с безнапорным режимом, обладают более высоким резервом пропускной способности, чем напорные, а, значит, являются более безопасными в катастрофических ситуациях. С другой стороны, сооружения с напорным режимом при равной площади поперечного сечения водовода обладают большей пропускной способностью.

Режим движения потока в открытом водопропускном сооружении обладает большей определённостью, чем в закрытом. Правильно рассчитанное на пропуск максимального расхода, такое сооружение при всех нерасчётных расходах будет также работать как безнапорное, что исключает возможность появления переходных режимов, при которых возрастают динамические нагрузки на конструкции водовода и усиливается вероятность возникновения и развития кавитационных явлений на его элементах. Однако обеспечение такого режима часто требует повышения отметок выходных участков сооружения во избежание их затопления, что усложняет условия сопряжения с нижним бьефом. Возникновение переходных режимов возможно и из-за самоаэрации, приводящей к замыканию потока на потолок водовода и появлению «пробкового» режима движения, сопровождаемого большими динамическими нагрузками на стенки водовода и нестабильностью гидравлических условий работы в нижнего бьефа.

При напорном режиме движения потока как в нем самом, так и на стенках водовода существует определённое избыточное давление, что уменьшает опасность возникновение и развития кавитационных явлений и служит значительным преимуществом таких сооружений. Однако обеспечение стабильного напорного режима движения, особенно при нерасчётных расходах, требует устройства входного оголовка, достаточно заглублённого под уровень верхнего бьефа во избежание прорыва воздуха при образовании вихревых воронок. Желательно также обеспечить заглубление выходного сечения под уровень нижнего бьефа, либо исключить возможность срыва напорного режима движения другим способом. Существует достаточно много конструкций водоводов, удовлетворяющий этим требованиям. Одной из них является предложенная нами конструкция водопропускного сооружения, гарантирующая ( "] стабильность напорного режима при всех возможных расходах и уровнях " воды в нижнем бьефе(Бахтин Б.М., Расуанандрасана М.Ж., Концевой участок напорного водопропускного сооружения, Патент на изобретение

№ 2211279, Опубл. Б.И. № 24 27. 08. 2003). Такое сооружение имеет транзитную часть в виде горизонтального или слабонаклонного туннеля или трубы и концевой участок, выполняющий функцию камеры гашения. Последний включает вертикальный водовод цилиндрической формы, примыкающий к транзитной части сооружения, и имеющий одинаковое с ней сечение, и горизонтальный диск, расположенный над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на бычки обтекаемой формы, размещённые за пределами выходного сечения. Немаловажным преимуществом этой схемы является наличие избыточного пьезометрического давления практически на всех участках водопропускного тракта. Другая позитивная особенность указанного решения - кольцевой выпуск потока, и, как следствие, значительное уменьшение удельных расходов на выходе в нижний бьеф, которое должно сопровождаться уменьшением размывов за сооружением.

При проектировании такого водопропускного сооружения возникает' ряд вопросов, связанных с недостаточной изученностью работы концевого участка подобной конструкции. Прежде всего, это - определение пропускной способности, поскольку нет ясности в оценках значений гидравлического сопротивления концевого участка при различных соотношениях его геометрических размеров и глубинах нижнего бьефа. Другим, не менее сложным, является вопрос гидравлического режима в нижнем бьефе при выходе потока из-под диска - отражателя. И, наконец, представляет интерес вопрос оценки пьезометрического давления потока на диск - отражатель и дно нижнего бьефа. Первое необходимо для выполнения расчёта прочности конструкции концевого участка, второе -для прогноза размывов за ним.

Учитывая недостаточную ясность физической картины явлений при взаимодействии потока с концевым участком описанного типа и при сопряжении потока с нижним бьефом, для изучения указанных выше вопросов был использован метод физического моделирования.

Цель диссертационной работы: Целью исследования являлось изучение особенностей гидравлических условий работы концевого участка новой конструкции, обеспечивающего стабильность напорного режима водовода во всём возможном диапазоне расходов и безопасное сопряжение потока с нижним бьефом, а также оценка возможности и целесообразности применения в практике гидротехнического строительства напорных водоводов с концевыми участками предложенного типа. В связи с этим в ходе экспериментов были поставлены и решены следующие задачи:

изучить возможность и целесообразность сопряжения бьефов в режиме свободного фонтанирования;

исследовать влияние соотношения диаметров диска - отражателя, выходного сечения водовода и высоты расположения диска над ним

на работу сооружения при разных глубинах в нижнем бьефе с целью определения пропускной способности сооружения; изучить влияние перечисленных конструктивных особенностей концевого участка и глубин нижнего бьефа на величину коэффициента его гидравлического сопротивления; исследовать кинематическую структуру потока в зоне его радиального растекания за выходным сечением концевого участка; определить величины и характер распределения пьезометрического давления потока на диск - отражатель и дно нижнего бьефа. Научная новизна. На основе анализа данных экспериментальных исследований концевого участка напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом восходящего потока получены следующие результаты:

изучен характер влияния изменения глубины нижнего бьефа и конструктивных особенностей концевого участка на его гидравлическое сопротивление;

исследована кинематическая структура потока за концевым участком предложенного типа;

изучен характер распределения пьезометрического давления на диск - отражатель.. . и дно нижнего бьефа при различных соотношениях размеров элементов концевого участка и глубинах потока за ним. Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов экспериментов обусловлена: адекватностью принятых критериев подобия,.; соблюдение которых многократно проверялось в процессе опытов; использованием апробированных приборов и методов измерения гидравлических характеристик потока. Опыты были выполнены на двух модельных установках разного масштаба, то есть представляли собой масштабную серию. Хорошее качественное и количественное согласование их результатов показало несущественное влияние факторов, не учитываемых при моделировании. Достоверность определения на модели основных гидравлических характеристик проверялась в ходе опытов путём сравнения величин расходов, полученных с помощью мерного водослива и рассчитанных по эпюрам замеренных скоростей. Надёжность определения коэффициентов сопротивления концевого участка водовода подтверждена: совпадением величин расхода, замеренного на модели и полученного расчётом с использованием экспериментально найденных.значений этих коэффициентов.

Практическая ценность: работы состоит в том, что предлагаемая конструкция концевого, участка водопропускных сооружений позволяет обеспечить стабильность напорного режима движения потока в широком диапазоне расходов .и глубин в нижнем бьефе. Она создаёт благоприятные условия гашения энергии, исключая опасные размывы вблизи зоны выхода

потока из-под диска - отражателя. Результаты, полученные в опытах, позволяют с достаточной степенью надёжности выполнить расчётное обоснование напорных водопропускных сооружений предлагаемого типа.

На защиту выносятся:

- новая конструкция концевого участка закрытых водопропускных сооружений гидроузлов (водосброс, водоспуск, водовыпуск), позволяющая обеспечить напорный режим работы сооружения при всех уровнях воды в бьефах и пропускаемых расходах;

- результаты исследования сопротивлений концевого участка нового типа, особенностей гидравлического режима потока за ним и воздействия потока, выходящего из напорного водовода на элементы концевого участка;

- рекомендации по проектированию напорных водопропускных сооружений с концевыми участками предлагаемого типа, включающие назначение размеров этого участка и площади поперечного сечения водовода, оценку возможной глубины и местоположения воронки размыва

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно - технических конференциях МГУП в 2002, 2004...2010годах

Публикации. По результатам работы получен патент на конструкцию концевого участка напорного водовода, опубликованы статьи в трудах МГУП за 2002, 2006 и 2007годы, а также в журналах «Мелиорация водное хозяйство» выпуск 5 - 2007г и «Вестник Томского государственного архитектурно - строительного университета» выпуск 2

- 2008г (рекомендован ВАК РФ).

Структура и обьем работы. Диссертационная работа имеет общий объём 170 страниц машинописного текста, включает 119 рисунков и 20 таблиц, структурно состоит из введения, четырёх глав, и заключения, содержащего основные результаты и выводы, списка использованной литературы, включающего 48 наименовании, и 152 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований и методика их реализации, показаны научная новизна, практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о структуре и объеме диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ существующих литературных источников, посвященных концевым участкам закрытых

водопропускных сооружении. Результаты исследований концевых участков разных типов приводятся в работах многих отечественных и зарубежных учёных.

В диссертации нами был выполнен анализ особенностей работы водопропускных сооружений с разными концевыми участками, рассмотрены основные конструкции последних, обеспечивающие

напорный режим их работы, достоинства и недостатки каждого из них. Результаты анализа свидетельствуют о том, что наиболее эффективно стабильность напорного режима сооружения обеспечивают концевые участки с повышенным гидравлическим сопротивлением - камеры гашения. Другим их достоинством является интенсивное рассеяние избыточной энергии потока, облегчающее задачу сопряжения с нижним бьефом. Недостатками большинства существующих камер гашения являются необходимость их заглубления под уровень нижнего бьефа, сложность конструкции, наличие тонкостенных элементов. Всё это, затрудняя осмотр и ремонт сооружения, снижает его надёжность.

В диссертации предложена конструкция концевого участка закрытого водопропускного сооружения с вертикальным выходом напорного потока (рис.1), выполняющего функцию камеры гашения. Важными достоинствами предлагаемого решения являются простота конструкции, массивность немногочисленных её элементов и расположение камеры гашения выше уровня дна нижнего бьефа, что обеспечивает ремонтопригодность и надёжность работы конструкции.

Во второй главе выполнено описание экспериментов, проведенных в лаборатории кафедры гидротехнических сооружений Московского государственного университета природообустройства, а также экспериментальных установок, методики моделирования, измерений и обработки их результатов, контроля достоверности результатов измерений.

В качестве прототипа был принят концевой участок трубчатого водосброса с диаметром вертикального водовода, равным 4,5м, пропускающего расходы в диапазоне 230м3/с...400м3/с

Эксперименты проводили на двух моделях, выполненных в масштабах 1:125 и 1:50, состоящих из верхнего резервуара и вертикального цилиндрического водовода, сопряженного с отводящим трубопроводом. Последний имел вертикальный выход в бассейн нижнего бьефа. Над выходным сечением вертикального водовода был установлен диск - отражатель, создающий камеру гашения. Бассейн нижнего бьефа, выполненный в виде лотка, функционально был

разделен на три части: в головной располагался сам концевой участок; в транзитной части находилось жалюзийное заграждение, дающее возможность регулирования глубины в нижнем бьефе; в концевой части с пониженным уровнем пола располагался мерный водослив с тонкой стеной. Перед мерным водосливом были установлены успокоительные решётки. Конструкция «большой» модели представлена на рис.2.

Лоток нижнего бьефа (5) имел ширину 190,0см, длину 550,0см и высоту 77,0см. Расход подавался из резервуара (1), расположенного на высоте 250,0см по трубопроводу (4), диаметр которого составлял 9,0см. В начальной части длиной 125,0см лоток был перекрыт настилом из органического стекла, на котором была выполнена модель концевого участка водовода. Концевой участок располагался по оси лотка на расстоянии 61,0см от торцевой его стенки. Отводящее

русло представлял канал (17) трапецеидального сечения с заложением откосов 1:1,5 и шириной по дну 8.0,0см. Над выходным сечением (6) трубопровода располагалась жёсткая металлическая балка (7) с винтовым механизмом (16) вертикального перемещения. К концу винта, соосно с вертикальным трубопроводом закрепляли жёсткий диск -отражатель (8), выполненный из оргстекла толщиной 1,0см так, что обеспечивалось строго радиальное растекание потока, выходящего из-под диска. Вблизи выходного сечения вертикального водовода, на расстоянии 3,0см от него установлены 8 пьезометров (10), расположенные радиально в горизонтальной плоскости. На расстоянии 182,5см от начала отводящего канала был установлен регулируемый жалюзный затвор (14) для поддержания заданного уровня воды за концевым участком водовода. В концевой части лотка длиной 95,0см, где настил отсутствовал, располагался прямоугольный мерный водослив (15) длиной по фронту 60,0см с отметкой порога на 5,0см ниже уровня дна отводящего канала. Перед водосливом были установлены успокоительные решётки (13).

На малой модели с диаметром выходного сечения вертикального водовода с1 = 3,4см при работе концевого участка в режиме «свободного фонтанирования» и глубинах нижнего бьефа И = 0,82с/... 1,32с/, измеряли высоты подъёма струи, высоты и длины волн, возникающих в нижнем бьефе, и значения пьезометрического напора в вертикальном водоводе вблизи выходного сечения.

При работе с установленным диском - отражателем, диаметр £> которого варьировался в диапазоне £ = 2,35с1...5,9с1, высота I его расположения над выходным сечением водовода была t = 0,8с/... 1,76<1 при глубинах /г = Q,5Ъd..Л,\6d. В этих опытах осуществляли промеры глубин потока с зарисовкой профилей поверхности, определение направлений скоростей у дна и поверхности воды по площади нижнего бьефа. Измеряли также пьезометрический напор вблизи выходного сечения.

На большой модели была выполнена основная серия опытов по изучению работы концевого участка и гидравлического режима нижнего бьефа. Опыты проводились при соотношениях ИМ = 1,1; 2,2; и 3,3 в условиях разных высот Г расположения диска над уровнем выходного сечения и глубин нижнего бьефа й (М = 0,55; 0,83; 1,11; 1,39 и Ш = 0,50; 0,75; 1,10).

В опытах промерялись глубины, определялись величины и направления скоростей в створах измерений с построением профилей поверхности потока и эпюр распределения скоростей по глубине. Измерялись также распределения пьезометрического напора по площади дна нижнего бьефа, по нижней поверхности диска - отражателя и по периметру вертикального водовода вблизи его выходного сечения. Установка 8 пьезометров на расстоянии Зсм от выходного сечения вертикального водовода позволила найти осреднённую величину

пьезометрического напора h^, в потоке перед его выходом в камеру гашения (пространство под диском - отражателем), исключая возможность ошибки, вызванной влиянием колена, сопрягающего транзитную часть с вертикальным водоводом.

Для регистрации распределения пьезометрического давления на дно нижнего бьефа и диск - отражатель в полу модели были установлены 59 пьезометров, размещённых на 5 лучах, расходящихся радиально от оси выходного сечения. Распределение давления на диск - отражатель изучали с помощью пьезометров, также расположенных на 5 лучах. В зависимости от диаметра диска на длине луча были размещены 3.. .5 пьезометров.

Изучение кинематической структуры потока за концевым участком проводили с использованием простейшего гидрофлюгера, позволяющего определить направление скорости в точке измерения и в зоне нулевых скоростей. Величины горизонтальных скоростей измеряли микровертушкой с диаметром крыльчатки 1см и электронным блоком регистрации скорости, при линейном характере тарировочного графика от 3 см/сек.

Значения числа Фруда для потока на выходе из-под диска -отражателя составляли в опытах 4... 14, значения числа Рейнольдса изменялись в диапазоне 55.104...15.104. Поэтому перечёт полученных на модели результатов в натуру осуществлялся в соответствии с критерием Фруда при соблюдении условия автомодельности по Рейнольдсу.

Общее количество опытов на моделях составило 400, из них на «малой» модели - 120 и 280 - на «большой».

При обработке результатов экспериментов высота подъёма струи в опытах со «свободным фонтанированием» сравнивалась с расчётной, полученной по формуле Люгера. Эпюры распределения пьезометрического напора по дну нижнего бьефа приведены в долях от скоростного напора потока в выходном сечении вертикального водовода, а эпюры скоростей - в долях от величины скорости в этом сечении. Данные по значениям отлёта струи, сходящей с диска - отражателя также нормированы по величине диаметра выходного сечения.

При определении коэффициента сопротивления концевого участка напорного водовода мы принимали во внимание, что в отсутствии диска -

отражателя избыточный напор z~Kp~h относительно уровня нижнего бьефа вблизи выходного сечения практически отсутствует. Установка

диска приводит к возрастанию величины напора hCp , создавая подпор аналогично дополнительному гидравлическому сопротивлению в выходном сечении вертикального водовода. Сопротивление, обусловленное этим обстоятельством, может быть оценено условным коэффициентом

СОПрОТИВЛеНИЯ С подл

г - *

ъ подп 2 /л (1)

Здесь У0 - средняя скорость в выходном сечении вертикального водовода,

а — коэффициент кинетической энергии (по данным эксперимента автора а = 1,02).

Потери напора в сооружении обусловлены не только реакцией диска - отражателя, но и сопротивлениями, возникающими при движении потока в полости камеры гашения под диском и при выходе из неё. Можно полагать, что удельная энергия потока на входе в камеру гашения

(г0 = Аф + аУр/2§) потрачена на преодоление этих сопротивлений. Рассматривая концевой участок как напорный водовод с расчётным

сечением ® 0 , пропускающий расход при действующем напоре 2а, можно записать:= , где ц = + . В последнем

выражении вых ~ коэффициент сопротивления движению потока в пределах камеры гашения, отнесенный к площади выходного сечения ® о вертикального водовода. Величину этого коэффициента находили из выражения:

(2)

Обобщённый коэффициент сопротивления концевого участка

водосброса Сконц, обусловленный обоими указанными факторами, может быть получен как сумма частных коэффициентов:

конц £ подп С вых • ...

В работе приведены относительные значения силы осреднённого гидродинамического давления на диск Р, полученные делением величин Р, найденных по зависимости: P = pagW, (р0 - плотность воды, а У¥ объём фигуры, образованной эпюрой напоров на поверхность диска) на расчётное значение силы Я давления струи на преграду: К = Рой,оуо •

Завершают главу данные, подтверждающие достаточную степень достоверности полученных результатов.

Третья глава диссертации содержит результаты экспериментальных исследований и их анализ.

В начале главы приводится анализ результатов экспериментов по изучению характера сопряжения бьефов в режиме «свободного фонтанирования», которые имели своей целью подтвердить или опровергнуть предположение о целесообразности рассматриваемой в

работе схемы сопряжения. Можно было ожидать, что наличие водяной подушки над выходным сечением вертикального водовода вызовет эффективное гашение энергии потока, тем большее, чем выше степень затопления этого сечения. Однако опыты показали, что заметное гашение энергии в водяной подушке происходит только при относительных глубинах7 воды в бьефе, превосходящих 0,95^. При меньшей глубине высота подъёма струи практически не отличается от величины скоростного напора в выходном сечении. Можно полагать, что значительная высота падения струи приведёт к большим динамическим нагрузкам на дно отводящего русла и недопустимым его размывам. Опыты, в которых одновременно с измерениями высоты подъёма струи замерялись высота и длина возникающих волн, показали, что при увеличении расхода возрастает высота волны (составляющая 4м...7м в пересчёте на натуру), тогда как длина её уменьшается, то есть растут частота и амплитуда накатов волны на откосы отводящего русла. Понятно, что регулярное волнение с такой высотой волны не может не привести к значительным деформациям берегов и дна. Таким образом, результаты этих опытов продемонстрировали нецелесообразность рассматриваемого режима сопряжения потока с нижним' бьефом, поэтому в дальнейших экспериментах изучали работу концевого участка, в котором над выходным сечением вертикального водовода был закреплён круглый в плане диск-отражатель. ■ .

Влияние размера диска в опытах оценивали по величине отлёта струи, сходящей с его нижней поверхности (см. рис.1). Длина отлёта определялась по результатам измерения направлений скоростей в придонной зоне потока. Опыты на малой модели показали, что с увеличением относительного диаметра диска - отражателя О/с! до значения 2,9 при различных глубинах нижнего бьефа и высотах расположения диска наблюдается рост длины отлёта струи. Дальнейшее увеличение диаметра практически не влияет на этот параметр.

Видимо, относительная длина Ш отлёта струи с диска-отражателя даёт достаточное представление о характере структуры потока, позволяя сравнивать результаты, получаемые на моделях разных геометрических масштабов. Опыты на двух моделях, при близких (в пересчёте на натуру) скоростях потока в выходном сечении водовода и соотношениях размеров концевого участка показали, что при относительной глубине Ь/й воды за концевым участком более 0,8 относительные длины отлёта струи, оказались достаточно близкими, с отклонениями не превышающими 21%.

Представляет интерес сопоставление значений коэффициентов сопротивления исследуемого концевого участка, полученных на малой и большой моделях. В работе приведены результаты таких опытов с близкими значениями относительных размеров конструкции и глубин в нижнем бьефе, показавшие расхождение коэффициентов сопротивления не более 20%.

Эти данные, полученные на моделях, масштабы которых отличаются в 2,5 раза, свидетельствуют, что принятый критерий моделирования является достаточным для обеспечения достоверности результатов, поэтому основная серия опытов, результаты которых приводятся ниже, была выполнена только на большой модели.

В работе представлены результаты определения коэффициентов сопротивления £ при разных соотношениях £)/с/, //с/, М/ и величинах модельных расходов 0,013м3/с, 0,017м3/с и 0,025м3/с, которые, в пересчёте на натуру, составляют, соответственно, 230м3/с, З00м3/с и З98м3/с при скоростях в выходном сечении 14,5м/с, 18,9м/с и 22,5м/с. Графики зависимости £КОИЦ к!с1,1>/с/) показаны на рис.3. Из

них видно, что изменение относительной высоты ¿/с/ расположения диска над выходным сечением в диапазоне 0,83... 1,39 не оказывает

значительного влияния на величины £Копц. уменьшением ?/с/ ниже 0,83 сопротивление концевого участка резко возрастает. Видимо, это связано с характером растекания вертикальной струи в пространстве между выходным сечением и диском; при близком расположении диска струя остаётся компактной вплоть до соударения с ним, что увеличивает эффект «отдачи», повышая гидравлическое сопротивление гасителя. С ростом М растёт площадь контакта струи с диском из-за её растекания, и энергия реакции, приходящаяся на площадь выходного сечения, снижается, обусловливая уменьшение коэффициента сопротивления.

Достаточно слабым оказалось влияние относительного диаметра диска - отражателя О/с/. Лишь при наименьшей скорости выхода струи значения для малого диска (£>/с/ = 1,11) оказались заметно меньше,

чем для дисков больших размеров. Интересно, что величины Сктц при больших относительных диаметрах диска - отражателя (£>/с/ = 3,33 и 2,22) оказались ниже, чем при £)/с/ = 1,11, за исключением случая малого расхода, когда интенсивное растекание снижает энергию реакции диска. Причиной этого может служить зарегистрированное в опытах возникновение зон вакуума на нижней поверхности диска и пониженного давления у дна в пространстве под кольцевой струёй, сходящей с диска.

Более существенным оказывается влияние относительной глубины Ш воды в нижнем бьефе. При увеличении /г/с/ в диапазоне 0,5...0,75 для всех расходов СК0И11 изменяется примерно на 5%...25%. Исключение составляет случай малого расхода и минимального размера диска, когда струя, с увеличением глубины воды интенсивно растекаясь в водном пространстве, слабо взаимодействует с диском.

Значительное внимание в работе уделено изучению давления восходящей струи на диск - отражатель. Характер его распределения иллюстрируется эпюрой пьезометрического напора, замеренного на

нижней поверхности диска (рис.4). Анализ полученных результатов показал ниже следующее:

основная часть нагрузки от восходящей струи сосредоточена в центральной части диска - отражателя диаметром около 1,7с?; величина этой нагрузки тем больше, чем ниже по отношению к выходному сечению водовода расположен диск, и чем больше глубина воды в нижнем бьефе;

в периферийной части диска с относительным диаметром Djd> 2, при глубинах за концевым участком, меньших или примерно равных высоте его расположения, возникает зона вакуума, исчезающая при росте затопления концевого участка со стороны нижнего бьефа;

Видимо, по мере подъёма струя расширяется, оставаясь компактной, о чём свидетельствуют сходные по форме (в центральной своей части) эпюры напоров при разной высоте расположения диска. Энергия потока уменьшается, растрачиваясь на преодоление силы тяжести и сопротивления толщи воды в камере гашения, что снижает силу давления на диск при увеличении высоты его расположения. После соударения с диском струя растекается по его поверхности, двигаясь по криволинейной траектории так, что центробежные силы направлены вверх, и оказывают давление на диск. На расстоянии, равном примерно 1,7d от оси водовода, траектория движения потока становится прямолинейной. Далее кольцевая струя движется по инерции, искривляясь книзу под действием силы тяжести, что приводит к возникновению вакуума на поверхности диска -отражателя. С ростом глубины за концевым участком растёт и сопротивление движению кольцевой струи, вызывая увеличение пьезометрического давления в камере гашения в целом, и давления на диск, в частности. При этом рост давления со стороны нижнего бьефа компенсирует влияние отмеченного вакуума.

Результаты этих опытов представлены на рис.5 графиками зависимости относительной силы давления струи P/R от относительных размеров концевого участка и глубины в нижнем бьефе. Из этих данных видно, что сила давления струи оказалась наибольшей при низком (tld = 0,5) расположении всех дисков, независимо от глубины воды в бьефе и расходов. Минимальные величины этой силы получены, как и следовало ожидать, для диска малого диаметра. Несколько неожиданными оказались значения относительного давления P/R> 1, полученные при исследованиях работы модели с более крупными дисками - отражателями {Did = 2,22 и Did = 3,33). Очевидно, это связано с отмеченным выше искривлением струй на сходе с диска Скорости сходящих струй в таком случае имеют направление, составляющее с направлением оси компактной струи угол а > 90°. С ростом этого угла, как известно, возрастает и сила давления на преграду, достигая в пределе, при а = 180°, удвоенного значения. Наибольшая величина силы давления струи, зафиксированная в опытах, составила около 12500 кН в пересчёте на натуру.

При анализе результатов опытов обращает на себя внимание различие

характера кинематической структуры потока за концевым участком при одном и том же расходе в случае малого относительного диаметра диска -отражателя (Т>/й = 1,11) и при значениях этой величины, равных 2,22 и 3,33. В первом случае поперечное сечение струи, сходящей с диска оказывается заметно большим, чем при дисках большего диаметра, что говорит о высокой степени ёе аэрации, причём поток не только аэрирован, но и раздроблен на отдельные струйки. Скорости потока, как поверхностные, так и придонные, оказываются весьма большими (до 15м/с) и могут вызвать значительны? размывы за концевым участком. Дело в том, что под диском большого диаметра формируется компактная кольцевая струя с радиальными скоростями почти. горизонтального направления. В случае малого диска часть восстающей компактной струи, расширяясь по мере подъёма, проходит, не соприкасаясь с диском.. Эта часть потока имеет почти вертикальное направление, и, поднимаясь, дробится на отдельные струйки, которые, падай, вызывают дробление потока в целом, приводя к нестабильности его режима. Эти обстоятельства вновь подтверждают, что применение дисков - отражателей малого размера является нецелесообразным.

Данные экспериментов показали, что режим сопряжения потока с нижним бьефом, при относительно малых глубинах в нём, является поверхностно - донным. При этом под струёй, непосредственно у схода последней с диска, формируется валец с. придонными скоростями, составляющими до 0,1 от средней скорости .у а в выходном сечении вертикального водовода (в пересчёте на "натуру" - до 2,5м/с). Второй валец (поверхностный) возникает над транзитной струёй после её "посадки" на дно. Придонные скорости в этой зоне достаточно, велики и достигают 0,4 У,,. л .

С увеличением относительной глубины до значения к/с1 =1,1 режим сопряжения меняется на чисто поверхностный, с формированием вальца у дна и ряда затухающих волн на поверхности струи. Придонные скорости в зоне вальца и в этом случае не превышают, вышеуказанных величин. Характеризовать размеры придонного вальца удобно через длину отлёта струи, сходящей с диска. В работе приведены (в виде таблиц и графиков) данные но величинам относительного отлёта : струи Ш при разных скоростях потока в выходном сечении вертикального водовода, относительных глубинах нижнего бьефа и соотношениях геометрических размеров концевого участка водовода. Здесь; ,1, - расстояние от оси вертикального водовода до точки с нулевыми придонными скоростями. Обращает, внимание отличие в характере графиков Ш = /(И/с1) для концевых участков с дисками "малого" и "больших" диаметров. В первом случае величина отлёта струи стабильно,уменьшается с ростом глубины нижнего бьефа, тогда как во втором при ¡¡/й > 0,75 наблюдается резкий подъём графика. Дело в том, что при "малом" диске струя, сходящая с

него, как было показано ранее, отклоняется кверху. Поэтому её падение происходит под значительным углом к горизонту. С ростом глубины за концевым участком потери энергии вертикальной компактной струи растут, результатом чего является уменьшение высоты подъёма и длины отлёта кольцевой струи, и поверхностно-донный режим сопряжения с нижним бьефом.

При диске «большого» диаметра струя сходит с него, как с горизонтального уступа, имея практически горизонтальное направление скорости. Резкий рост длины отлёта здесь объясняется' формированием : поверхностного режима сопряжения, когда транзитная струя проходит над Придонным вальцом и прижимается к дну, потеряв большую часть избыточной энергии. Заметим, что отличие указанных графиков для обоих "больших" дисков невелико. Это указывает на завершённость 1 формирования горизонтальной кольцевой струи на сходе с диска. Анализ графиков зависимости Ш =/для дисков с Д-'У равных 2,22 и 3,33 при разных скоростях в выходном сечении вертикального во довода (рйс.6) показал, что относительная длина отлёта струн при переходе от : поверхностно-донного к поверхностному режиму может быть определена по выражению:

Щ^Ъ&о/ъ + Ъ&^ш, ]' (4)

где V* ~ 1м/с, а : {}/к)тЫ - минимальное отношение высоты расположения диска-отражателя к глубине нижнего бьефа, обеспечивающее переход к поверхностному режиму сопряжения потока. Величина его для известного значения Ус1 может быть определена по формуле:

. т):аип= \,5Ш-0,31" " . " (5)

Эти зависимости позволяют назначать размеры концевого участка так, чтобы сопряжение бьефов при расчётном расходе осуществлялось в благоприятном режиме поверхностного прыжка и, : в сочетании с приведенными графиками, дают возможность оценить режим сопряжения и местоположение воронки размыва, как при расчётном, так и при нерасчётных расходах.

■ Это же графики позволяют назначить в первом приближении размера крепления нижнего бьефа. Ясно, что крепление дна необходимо на том. участке, где возможен поверхностно - донный режим сопряжения бьефов. Относительные его размеры определяются, положением : наклонной прямой на графиках рис.6, отделяющей зону с таким режимом (левое поле графика) от зоны, с режимом поверхностным. В изученном диапазоне расходов и относительных размеров концевого участка требуемый радиус основного крепления (водобоя) составляет 4...6 диаметров выходного сечения водовода. ■ . . . .

. В завершение главы приводятся сведения о ■величинах средней скорости кольцевой струи при сходе её с диска — отражателя; Как было отмечено ранее, скорость кольцевой струи на сходе с диска - отражателя имеет горизонтальное направление аналогично струе, сходящей с горизонтального уступа, что даёт основание использовать известные

зависимости для прогноза глубины размыва в нижнем бьефе, например, полученные Б.И. Студеничниковым.

Большинство таких зависимостей требует знания таких характеристик, как глубина потока на сходе с уступа и его средняя скорость в этом сечении. В нашем случае за верхнюю границу потока следует считать нижнюю грань диска-отражателя. Высоту сходящей струи, аналогом которой является глубина на уступе, можно найти из следующих соображений. Скорости в транзитной кольцевой струе и в верхней зоне придонного вальца под ней имеют одно и то же направление. Можно полагать, что граница раздела между ними, то есть нижняя граница струи, проходит через середину участка эпюры горизонтальных скоростей, где их величины примерно одинаковы. По данным опытов средние скорости

х'ст в транзитной струе определялись с использованием зависимости:

транзитной струи и предполагаемой границей её раздела с придонным вальцом, а кст - расстояние между ними, то есть высота струи. Заметим,

что величина является удельным расходом потока на сходе с диска -отражателя. Результат его умножения на длину периметра диска при правильном назначении упомянутой границы раздела должен дать значение расхода модельной установки.

Вычисления расходов, выполненные по этой методике, показали отличие расчётных значений расходов от замеренных на модели не более 10%. Результаты расчётов средней скорости, нормированной по скорости в выходном сечении приведены на рис.7.

Из графиков рис.7 следует, что существенное влияние на величину относительной средней скорости схода струи (отношение средней скорости к скорости потока в выходном сечении вертикального водовода) оказывает диаметр диска - отражателя, тем большее, чем выше

скорость У о в выходном сечении. Разница в величинах относительных скоростей для дисков с относительными диаметрами Ш1 = 3,33 и Б/с! = 2,22 при У о = 22,5м/с достигает 62%.

Несколько неожиданным оказалось малое влияние высоты расположения диска и глубины за концевым участком, особенно при

малой (У0 =14,5м/с) скорости выхода потока. Возможно, это связано с тем, что в рассмотренных диапазонах указанных высот и глубин не происходило затопление концевого участка, и струя, сходя с диска, имела свободную поверхность, то есть, была незатопленной. Судя по данным рис.7, с достаточной точностью относительные средние скорости схода с

(6)

где - площадь эпюры скоростей между свободной поверхностью

диска-отражателя в исследованных диапазонах относительных глубин и высот расположения диска для Ш1 = 2,22 и О/ё = 3,33 могут быть приняты равными 0,46 и 0,30 соответственно.

В четвёртой главе приведены примеры использования результатов экспериментальных исследований в проектировании напорного водосброса с вертикальным выходом восходящего потока.

Возможность использования полученных в диссертации результатов показана на примере гидравлических расчётов трубчатого башенного водосброса (рис.8, рис.1) и статического расчёта его концевого участка при расчётном расходе 0 = 200м3/с и напоре на сооружении Н = 46м. Глубина воды в нижнем бьефе при этом расходе составляет Ь = 4м.

Общая длина транзитной части водосброса от входного участка до дна нижнего бьефа - 213м. На горизонтальном и наклонном участках водовод имеет квадратное сечение, а вертикальная его часть длиной 11м выполнена цилиндрической.

Определение размеров поперечного сечения водовода.

1. Задаются относительным диаметром О/с! диска-отражателя, которое обеспечило бы при достаточно малом его диаметре формирование кольцевой струи, имеющей на сходе с диска горизонтальное направление.

2. Принимают относительную высоту расположения диска-отражателя над выходным сечением вертикального водовода и относительную глубину нижнего бьефа, при которых, согласно данным рис.6, обеспечен поверхностный режим сопряжения с нижним бьефом (Ш = 0,55, Ый = 0,5).

3. Задавшись величиной коэффициента расхода (например, //=0,5) определяют площадь выходного сечения со и диаметр г/ вертикального водовода:

За величину напора Н принимают разницу отметок расчётного уровня верхнего бьефа и нижней поверхности диска - отражателя: Н'= Н + к-откуда: 03 = 13,3м2 и й = 4,1м. Приняв для дальнейших расчётов с! = 4,0м при такой же величине размеров сторон части водовода квадратного сечения, получают скорость в выходном сечении У0= 17,0м/с.

4. Определив коэффициенты сопротивления местные (для концевого участка - с использованием данных рис.3) и по длине, находят фактическое значение коэффициента расхода /л", соответствующее принятым размерам водопропускного тракта:

5. Условие ¡л' = // будет свидетельствовать, что принятые размеры поперечного сечения водовода и его концевого участка обеспечивают заданную пропускную способность сооружения. Так как для <1 - 4,0м и" = 0,57, следует провести аналогичные расчёты для нескольких диаметров водовода меньших и больших принятого ранее. Найдя значение ц' для

каждого из них из зависимости (7) строят графики ц' = /(с!) и ¡и" = /(с1). Точка их пересечения даст искомое значение диаметра вертикального водовода и, соответственно принятым соотношениям £>/У, Ш , размеры концевого участка. В рассматриваемом случае расчётный диаметр водовода составил 3,88 метра.

Оценка глубины размыва ,за концевым участком водосброса. В технической литературе нам не удалось найти рекомендаций по расчёту размыва радиально растекающимся потоком, каким является. поток, сходящий с диска - отражателя. Наиболее подходящим к нашему случаю (рис.9), можно считать метод расчёта размыва мелкозернистых грунтов потоком, сходящим с консоли, предложенный Б.И.Студеничниковым:

: где = 0,4; ка~ 1; •"<?> у у/^ ;; ^ — удельный расход потока: на сходе с диска-отражателя = > в месте «посадки» струи на дно.

Ч г ~ / ; ^50 - средний диаметр частиц грунта в воронке размыва;

ф - коэффициент скорости. Удельная энергия струи

Выполним расчёт для случая С? -З00м3/с| с! = 4,5м, £>/¿/ =2,22, М =

°>55и

Ш = 0,5, относительная длина отлёта Ш струи в котором, согласно рйс.6,6, составляет 4,2. С учётом соотношения величин С и к можно

считать 20 = у2 ■'■/.■ ■ • ■

Ясно, что' приведенная зависимость не учитывает уменьшения удельного расхода по мере удаления от оси. водовода, поэтому величина размыва, вычисленная для расхода д~ ди будет заведомо завышенной, тогда как расчёт для цг может дать излишне. оптимистичные

результаты. Видимо, действительную глубину воды в яме размыва следует искать в указанном промежутке. Результаты расчёта для. грунтов разной крупности показывают, что уже при среднем диаметре грунта, равном 12 мм глубина воронки размыва составит около З...4м, что представляется вполне допустимым. Можно полагать, что при скальных породах русла опасных размывов ожидать не следует.

Расчёт прочности конструкции концевого участка

В диссертации приведен пример „расчёта концевого участка водосброса с размерами О = 8,6м, с) = 3,88м, относительной высотой расположения диска-отражателя М = 0,83 при глубине нижнего бьефа Ь =

4м и расходе 240м3/с. Расчёт выполнен с использованием пакета прикладных программ «Лира». При расчёте диск - отражатель моделировался круглой в плане пластиной, для которой задавались следующие параметры: толщина Ьд, модуль упругости Е = ЗООООмПа, коэффициент поперечной деформации v = 0,2. В местах опирания диска на бычки по контуру пластины вводились жёсткие связи с центральным углом 10°. Основными нагрузками, приложенными к диску - отражателю, являются: сила давления струи, его собственный вес и реакция опор -бычков, на которых держится диск.

Расчёты радиальных и тангенциальных изгибающих моментов Мрат, а также перемещений, возникающих в диске - отражателе от указанных нагрузок, были выполнены для нескольких толщин диска. Расчёты величин изгибающих моментов Мсгс, максимально допустимых по условию трещиностойкости были выполнены для этих же толщин. Минимально допустимую по указанному условию толщину диска получили, построив графики Мрасч- /(Ьд) и Мсгс= /(Ьд). Точка их пересечения даёт искомую толщину диска-отражателя. В нашем случае она оказалась равной 0,83м. Для дальнейшего проектирования можно принять кд = 85м.

В работе приводится пример армирования диска - отражателя и бычков для двух расчётных случаев: эксплуатационного, когда водосброс пропускает расчётный расход и ремонтного, при котором конструкция загружена только её собственным весом.

Заключение

Полученные в диссертации результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. При работе водосброса в режиме «свободного фонтанирования» относительно эффективное гашение энергии восстающей струи в водяной подушке происходит при глубинах воды в нижнем бьефе, превосходящих 0,9 диаметра выходного сечения водовода. При меньшей глубине высота подъёма струи практически не отличается от величины скоростного напора в выходном сечении.

2. В режиме «свободного фонтанирования» при скорости потока в выходном сечении водовода, равной 20м/с...30м/с высота волны в нижнем бьефе может достигать разрушительной величины (4м.. .7м).

3. При диаметре диска-отражателя, меньшем 1,7 диаметра выходного сечения вертикального водовода гидравлический режим в нижнем бьефе неблагоприятен из-за сильного дробления кольцевой струи, большого наклона падающих струй к горизонту и высоких скоростей потока. С увеличением относительного диаметра диска - отражателя £)/У вплоть до значения 3,0 при различных глубинах нижнего бьефа и высотах расположения диска над выходным сечением наблюдается рост длины отлёта струи. Дальнейшее увеличение диаметра практически не влияет на величину отлёта. Таким образом, технически целесообразным

диапазоном относительных диаметров диска - отражателя можно считать \,l<D/d <3,0.

4. Приведенные на рис.3 графики зависимости коэффициента гидравлического сопротивления концевого участка предложенного типа от относительных его размеров и глубин в нижнем бьефе при разных скоростях в выходном сечении вертикального водовода дшот возможность обоснованно выполнить расчёт пропускной способности сооружения.

5. Графики зависимости l/d-f (t/h), показанные на рис.6, в сочетании с экспериментальными формулами (4) и (5) позволяют назначить соотношения размеров концевого участка с учётом глубин в нижнем бьефе и скоростей струи в выходном сечении водовода, обеспечивающих благоприятный поверхностный режим сопряжения потока с нижним бьефом и наименьшие размывы дна.

6. Полученные в экспериментах формы распределения пьезометрического давления восстающей струи на диск - отражатель и графики относительной величины силы этого давления в зависимости от размеров концевого участка и глубин потока за ним при разных скоростях выхода струи (рис.5) позволяют обоснованно выполнить расчёты прочности диска и поддерживающих его бычков.

Публикации по тема диссертации

1. Концевой участок напорного водопропускного сооружения, № 2211279 С2 кл Е 02 В 8/06 от 27.08.03г. (Бахтин Б.М., Расуанандрасана М.Ж).

2. Бахтин Б.М. Исследования концевого участка водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока [Текст] / Б.М. Бахтин, М.Ж. Расуанандрасана // Природоохранное обустройство территорий, сборник материалов научно - технической конференции, - МГУП -2002, — с.106— 107.

3. Бахтин Б.М. Напорное водопропускное сооружение с вертикальным выходом потока [Текст] / Б.М. Бахтин, М.Ж. Расуанандрасана // Мелиорация и водохозяйственное строительство, - МиВх, - №5, -2007,- с.39-41.

4. Бахтин Б.М. Напорный водосброс с вертикальным выходом потока [Текст] / Б.М. Бахтин, М.Ж. Расуанандрасана // Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов, Вестник ТГАСУ - №2, -2008, - с.113-125.

5. Бахтин Б.М. Определение нагрузок и расчётное обоснование конструкции концевого участка водосброса с кольцевьм выпуском потока [Текст] / Б.М. Бахтин, Т.К. Ксенофонтова, М.Ж. Расуанандрасана // Материалы международной научно - практической конференции «роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России». - МГУП. - часть.2. - 2009. - с. 15 -20.

3 П Л

Рис.1. Концевой участок напорного водопропуск -ного сооружения:

1 - вертикальный водовод цилиндрической формы;

2 - горизонтальный диск -отражатель;

3 - бычки обтекаемой формы;

4 - выходное сечение водовода;

5 - транзитная часть сооружения.

Рис.2. Конструкция большой модели: 1-верхний резервуар; 2-входной оголовок; 3-верти-кальный трубопровод; 4-отводящий трубопровод ; 5-лоток нижнего бьефа; 6-выходное сечение трубопровода; 7-жесткая металлическая балка; 8-диск-отражатель; 9-камера гашения; 10-пьезометры трубопровода; 11-пьезометры дна лотка; 12-пьезо-метр мерного водослива; 13-успокоительные решетки; 14-жалюзи; 15-прямоугольный мерный водослив; 16-винт; 17-отводящий канал.

__^ЬЗкА

шЖ>

¿1250

шишшшшш

1825

50

1425

490

460

Д10Л40.

3210

1040

а

-'кон в

Рис.3. График зависимости Ь кон = Ь/с1, Б/с!): а. \о~ 14,5м/с; б. уй= 18,9м/с; в. у0 = 22,5м/с; О - Д/с/=3,33; □-/}/(/= 2,22; Д- £)/</= 1,11; -Ш-0,5; -------Ш— 0,83; -------/Ул? = 1,11; ..................Ш=\,39.

Рис.4. Эпюры напоров (м) на нижней поверхности диска - отражателя (на модели) при БМ = 3,33; гУс! = 0,55; Ый = 0,50; у0 = 2,67м/с; -------уровень воды за поверхностным вальцом.

P/R 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

о,г

а

/■ /

/

а

. i

P/R Д 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

/ /

/ /

/V/ , n

P/R 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6

s

— . ■ i ' : 8

-Д

i-ri rr- r4

0,5 1,0 1,5 b/d 0 0,5 1,0

1,5 h/dt О

0,5 1,0 1,5 h/d

Рис.5. График зависимости P/R = f (D/d; t/d; h/d): a v„ = 14,5m/c(Q = 230м3/с); 6. v„ = 18,9m/c(Q = З00м3/с); в. v„ = 22,5м/с (Q = З98м3/с); ° - D/d = 3,33; □ -D/d= 2,22; A - D/d = 1,11; _ t/d= 0,5; .. t/d= 0,83; __ //¿=1,11; .............i/if= 1,39.

r I

h

■ f

\ I u ^ 4e

l

0 2,0 4,0 6,0 8,0 l/d 0 2,0 4,0 6,0 8,0 t/d 0 2,0 4,0 6,0 8,0

l/d

Рис.6. График зависимости l/d = f^t/h, D/d, t/d):

a. v0 = 14,5м/с (Q = 230м3/с); 6. v0= 18,9м/с (Q = 300m3/c); b. v0= 22,5м/с (Q = 398м3/с); О- D/d =3,33; □ - D/d ~ 2,22;

_ t/d= 0,5; ....... t/d= 0,83; _______t/d = 1,11; ...............t/d= 1,39.

0 а

1 ч

0,60. 0,50. 0,40. 0,30. 0,20. 0,10.

б

0,5

V /V,

ст а 0,60.

0,50.

0,40.

0,30.

о,го. 0,10.

1,0 ь/а

0,5

1,0 1ч

Рис.7. График зависимости отношения средней скорости сходящей струи скорости в выходном сечении усг/у0 = Г(0/с1, г/с1, Ь/с1): а. гд= 14,5м/с; б. у0~ 18,9м/с; в. у0 = 22,5м/с; О - Ш = 3,33; □- ВМ =2,22;

_ (М = 0,5; _______ г/У = 0,83; _______ */И=1,11; .......... 1,39.

,146,0 УВБ

Рис.8. Схема напорного башенного водосброса с вертикальным выходом потока:

1 - плотина; 2 - галерея; 3 - переходной участок; 4-вертикальный водовод; 5 - концевой участок.

Рис.9. Схема к расчету глубины размыва за концевым участком.

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак№ G 70 Тираж 100

Условные обозначения. стр.

Введение.

ГЛАВА 1. ТИПЫ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ НАПОРНЫХ ВОДОПРО

ПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

1.1. Особенности работы напорных водопропускных сооружений.

1.2. Типы концевых участков, обеспечивающих напорный режимы работы водопропускных сооружений.

1.2.1 Концевые участки с горизонтальной камерой гашения.

1.2.2 Концевые участки с наклонным и вертикальным выходами потока.

1.3. Способы безопасного сопряжения потока с нижним бьефом за напорными водоводами.

1.4. Водопропускные сооружения с концевыми участками предлагаемого типа.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Задача и критерии моделирования.

2.2. Описание экспериментальных установок.

2.2.1. Малая модель.

2.2.2. Большая модель.

2.3. Методика измерений.

2.3.1. Измерение в режиме «свободного фонтанирования».

2.3.2. Измерение пьезометрического напора на элементах концевого участка.

2.3.3. Определение направления и величин скоростей потока.

2.3.4. Измерение расходов.

2.3.5. Измерение глубин и форм свободной поверхности потока.

2.4. Методика проведения экспериментов.

2.5. Методика обработки результатов измерений.

2.5.1. Обработка результатов измерения высоты подъёма струи при сопряжении бьефов по схеме «свободного фонтаниро вания».

2.5.2. Обработка результатов пьезометрических измерений.

2.5.3. Определение коэффициента сопротивления концевого участка водовода.

2.5.4. Обработка результатов определения силы давления на диск-отражатель.

2.5.5. Обработка результатов измерения скоростей потока.

2.6. Методика контроля достоверности результатов измерений.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ.

3.1. Результаты изучения характера сопряжения бьефов в режиме свободного фонтанирования».

3.1.1. Влияние глубины воды в нижнем бьефе на высоту подъёма струи.

3.1.2. Характер волнообразования в отводящем русле.

3.2. Влияние размера диска - отражателя на режим движения потока за концевым участком.

3.3. Сопоставление результатов экспериментов по изучению структуры потока и сопротивления концевого участка на малой и большой моделях.

3.4. Результаты исследования коэффициентов сопротивления концевого участка.

3.5. Определение силы давления струи на диск - отражатель.

3.6. Кинематическая структура потока за концевым участком.

3.7. Определение средней скорости потока на сходе с диска-отражателя.

ГЛАВА 4. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕН-ТАЛЬНЫХ.ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НАПОРНОГО ВОДОСБРОСА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ ПОТОКА.

4.1. Определение размеров поперечного сечения водовода.

4.2. Оценка глубины размыва за концевым участком водосброса.

4.3. Расчёт прочности элементов конструкции концевого участка.

4.3.1. Определение нагрузок на диск-отражатель.

4.3.2. Определение толщины диска - отражателя.

4.3.3. Оценка армирования диска - отражателя.

4.3.4. Оценка армирования бычков.

Актуальность проблемы. Решение проблемы гашения энергии потока при сопряжении его с нижним бьефом и уменьшения размывов за концевыми участками напорных и безнапорных водопропускных сооружений не теряет актуальности на протяжении многих лет. Каждый из режимов движения потока - напорный и безнапорный - имеет свои достоинства и недостатки. Сооружения, работающие в безнапорном режиме, обладают более высоким резервом пропускной способности, чем напорные, а, значит, являются более безопасными в катастрофических ситуациях. С другой стороны, напорные сооружения^ при равной площади поперечного сечения водовода обладают большей пропускной способностью. Режим движения потока в открытом водопропускном сооружении обладает большей определённостью, чем в закрытом. Правильно рассчитанное на пропуск максимального расхода, такое сооружение при всех нерасчётных расходах будет также работать как безнапорное, что исключает возможность появления переходных режимов, при которых возрастают динамические нагрузки на конструкции водовода и усиливается вероятность возникновения и развития кавитационных явлений на его элементах. Однако, обеспечение такого режима требует часто повышения отметок- выходных- участков водосбросов во избежание их затопления, что усложняет условия сопряжения с нижним бьефом. Возникновение переходных режимов возможно и из-за самоаэрации, приводящей к замыканию потока на потолок водовода и появлению «пробкового» движения, сопровождаемого большими динамическими нагрузками на стенки водовода и нестабильностью процессов в нижнем бьефе. Для исключения< этого приходится увеличивать площадь сечения сооружения и устраивать достаточно сложную систему его вентиляции.

При напорном режиме в потоке и на стенках водовода существует определённое избыточное давление, что уменьшает опасность кавитационных явлений и является значительным преимуществом таких сооружений. Однако, обеспечение стабильного напорного режима движения, особенно при нерасчётных расходах, требует устройства входного оголовка, достаточно заглублённого под уровень верхнего бьефа во - избежание прорыва воздуха при образовании вихревых воронок. Желательно также обеспечить заглубление выходного сечения под уровень нижнего бьефа, либо исключить возможность срыва напорного режима движения другим способом. Существует достаточно много конструкций водоводов, позволяющих удовлетворить эти требования. Одной из них является предложенная нами [19] конструкция водопропускного сооружения, гарантирующая стабильность напорного режима при всех возможных расходах и уровнях воды в нижнем бьефе. Такое сооружение выполнено в виде горизонтального или слабонаклонного туннеля или трубы с вертикальным выходом потока в нижний бьеф и снабжено горизонтально расположенным над выходным сечением жёстким диском — отражателем. Немаловажным преимуществом этой схемы является наличие избыточного пьезометрического давления практически на всех участках водопропускного тракта, что снижает опасность возникновения и развития кавитационных явлений. Другая позитивная особенность указанного решения - кольцевой выпуск потока, и, как следствие, значительное уменьшение удельных расходов на выходе в нижний бьеф, которое должно сопровождаться уменьшением размывов за сооружением.

При проектировании такого водопропускного сооружения возникает ряд вопросов, связанных с недостаточной изученностью работы концевого участка подобной конструкции. Прежде всего, это определение пропускной способности, поскольку нет ясности в оценках значений гидравлического сопротивления концевого участка при различных соотношениях его геометрических размеров и глубинах нижнего бьефа. Другим, не менее сложным, является вопрос гидравлического режима в нижнем бьефе при выходе потока из под диска - отражателя. И, наконец, представляет интерес вопрос оценки пьезометрического давления потока на диск - отражатель и дно нижнего бьефа. Первое необходимо для выполнения расчёта прочности конструкции концевого участка, второе — для прогноза размывов за ним. Учитывая недостаточную ясность физической картины явлений при взаимодействии потока с концевым участком описанного типа и при сопряжении потока с нижним бьефом, для изучения указанных выше вопросов был использован метод физического моделирования.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является исследование особенностей гидравлической работы концевого участка новой конструкции напорных водопропускных сооружений, обеспечивающего стабильность напорного режима водовода во всём возможном, диапазоне расходов и= безопасное сопряжение потока с нижним бьефом, а также оценка возможности и целесообразности применения в практике гидротехнического строительства напорных водоводов с концевыми участками предложенного типа. В связи с этим в ходе экспериментов были поставлены и решены следующие задачи: исследовать влияние соотношения диаметров диска - отражателя, выходного сечения водовода, и высоты расположения диска над ним на работу сооружения при разных глубинах в нижнем бьефе; изучить влияние перечисленных конструктивных особенностей концевого участка и глубин нижнего бьефа на величину коэффициента его гидравлического сопротивления; исследовать кинематическую структуру потока в зоне его радиального растекания за выходным сечением концевого участка; определить величины и характер распределения пьезометрического давления потока на диск - отражатель и дно нижнего бьефа.

Таким образом, цель диссертации - оценка возможности и целесообразности применения в практике гидротехнического строительства напорных водоводов с концевыми участками предложенного типа.

Научная новизна. Разработана и исследована новая конструкция концевого участка напорного водопропускного сооружения с вертикальным выходом потока в нижний бьеф, работающего по принципу соударения струи с горизонтальным диском - отражателем, расположенным над выходным сечением вертикального участка водовода. При этом струя распластывается и выходит из-под диска с относительно малыми удельными расходами в виде радиально растекающегося потока, который сопрягается с нижним бьефом по типу поверхностного прыжка. Такой режим, исключая опасные размывы в непосредственной близости от концевого участка, обеспечивает надёжность работы сооружения.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов экспериментов обусловлена адекватностью принятых критериев подобия, соблюдение которых многократно проверялось в процессе опытов, использованием апробированных приборов и методов измерения гидравлических характеристик потока. Опыты выполнены на двух модельных установках разного масштаба, представляющих масштабную серию. Хорошее качественное и количественное согласование их результатов показало несущественное влияние факторов, не учитываемых при моделировании. Достоверность определения на модели основных гидравлических характеристик проверялась в ходе опытов путём сравнения величин расходов, полученных с помощью мерного водослива и рассчитанных, по эпюрам замеренных скоростей. Надёжность определения коэффициентов сопротивления концевого участка водовода подтверждена1 совпадением величин расхода, замеренного на модели, и полученного расчётом с использованием экспериментально найденных значений этих коэффициентов.

Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что получено экспериментальное подтверждение возможности и целесообразности использования предлагаемой конструкции концевого участка напорных водопропускных сооружений для обеспечения стабильности напорного режима движения потока в широком диапазоне расходов и глубин в нижнем бьефе. Она обеспечивает благоприятные условия гашения энергии, исключая опасные размывы вблизи зоны выхода потока из-под диска - отражателя. В работе получены данные, приведенные в форме графиков, о влиянии конструктивных особенностей концевого участка и глубин в нижнем бьефе на величину его коэффициента сопротивления. Приведены также сведения о влиянии указанных факторов на длину донного вальца при поверхностной и поверхностно-донной формах сопряжения и на распределение пьезометрического давления на диск -отражатель и дно отводящего русла вблизи выходного сечения концевого участка. Результаты, полученные в опытах, позволяют с достаточной степенью надёжности выполнить расчётное обоснование напорных водопропускных сооружений предлагаемого типа.

Апробация работы. Основные положения настоящей работы были доложены на заседаниях кафедры Гидротехнических сооружений МГУП и на ежегодных научно - технических конференциях МГУП в 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2010 годах.

Публикации. По результатам работы получен патент на конструкцию концевого участка напорного водовода и опубликован ряд статей: в трудах МГУП за 2002, 2006, 2007, 2008 и 2009 годы, в журнале «Мелиорация и водное хозяйство» - выпуск №5, 2007 г., в журнале «Вестник Томского государственного архитектурно - строительного университета», рекомендованном ВАК РФ, выпуск №2, 2008 г., в журнале МГУП - Материалы Международной научно - практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России», часть -2, 2009 г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах, включая 14

3.4. Результаты исследования коэффициентов сопротивления концевого участка.

Результаты определения коэффициентов сопротивления £кон по опытам на большой модели при разных соотношениях D/d, t/d, h/d и величинах

2 2 2 модельных расходов 0,013 м/с, 0,017 м/с и 0,0225 м/с представлены в табл.3.5. Эти расходы, в пересчёте на натуру, составляют, соответственно,

2 2 2 230 м/с, 300 м/с и 398 м/с при скоростях в выходном сечении 14,5 м/с,

18,9 м/с и 22,5 м/с. Составленные по данным этой таблицы графики зависимости £ - fit Id, hid, Did) приведены на рис.3.3.

Из графиков видно, что изменение относительной высоты t/d расположения диска над выходным сечением в диапазоне 0,83. 1,39 не оказывает значительного влияния на величины коэффициентов сопротивления, а, значит, и на пропускную способность водовода. С уменьшением t/d ниже 0,83 сопротивление концевого участка резко возрастает. Видимо, это связано с характером растекания вертикальной струи в пространстве между выходным сечением и диском: при близком расположении диска струя остаётся компактной вплоть до соударения с ним, что увеличивает эффект «отдачи», повышая гидравлическое сопротивление гасителя. С ростом t/d растёт площадь контакта струи с диском» из-за её растекания, и энергия реакции, приходящаяся на площадь выходного сечения, снижается, обусловливая уменьшение коэффициента сопротивления. Можно ожидать, что эффект увеличения сопротивления гасителя с уменьшением высоты подъёма диска будет снижаться по мере роста скорости выхода струи, что подтверждают данные графиков (рис.3.3).

Достаточно слабым оказалось влияние относительного диаметра диска — отражателя D/d на величину коэффициента сопротивления. Лишь при наименьшем из трёх расходов* (рис.3.3.а), то есть при относительно низкой скорости выхода струи значения £кон для малого диска (D/d =1,11) оказались

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результаты проведённых исследований, основной целью которых была оценка возможности и целесообразности применения в практике гидротехнического строительства напорных водоводов с концевыми участками предложенного типа, подтвердили наши предположения о стабильности напорного режима работы водовода такого типа и безопасном сопряжении потока с нижним бьефом во всём возможном диапазоне расходов.

Достоверность результатов экспериментов обеспечена использованием апробированных средств и методов измерения, постоянным* сопоставлением величин расходов, изменяемых с помощью мерных водосливов и определяемых расчётным' путём по эпюрам скоростей в каждой серии опытов, а также повторением каждого опыта не менее трёх раз. Обоснованность приведенных ниже выводовI и' предложений, подтверждается, и хорошим согласованием результатов; полученных на* двух моделях разного масштаба, представляющих масштабную серию

Одним из побочных, хотя и достаточно интересных^ результатов« проведённых исследований является вывод о нецелесообразности использования водоводов, концевой« участок, которых выполнен по схеме «свободного фонтанирования»; связанный, прежде всего, с большим волнообразованием в нижнем бьефе, угрожающим устойчивости берегов отводящего русла.

Кроме проверки эффективности и целесообразности применения предложенного концевого участка, в ходе экспериментов были получены результаты, позволяющие обоснованно назначить его размеры, которые обеспечивают благоприятный поверхностно-донный или поверхностный гидравлический режим сопряжения потока с нижним бьефом.

Результаты исследований с разной пропускной способностью потока выполнены с учётом дополнительного гидравлического сопротивления, а также проведен статический расчёт конструкций концевого участка с учётом нагрузки на диск - отражатель от давления струи, выходящей из вертикального водовода.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. При работе водосброса в режиме «свободного фонтанирования» относительно эффективное гашение энергии восстающей струи в водяной подушке происходит при глубинах воды в нижнем бьефе, превосходящих 0,9 диаметра выходного сечения водовода. При меньшей глубине высота подъёма струи практически не отличается от величины скоростного напора в выходном сечении.

2. В режиме «свободного фонтанирования» при скорости потока в выходном сечении водовода, равной 20 м/с.30 м/с высота волны в нижнем бьефе может достигать «разрушительной величины» (4 м.,.7 м).

3. При диаметре диска-отражателя- меньшем l,7d диаметра выходного сечения вертикального водовода гидравлический режим в нижнем бьефе неблагоприятен из-за сильного дробления кольцевой струи, большого наклона падающих струй к горизонту и высоких скоростей потока. С увеличением относительного диаметра диска - отражателя D/d вплоть до значения 3,0 при различных глубинах нижнего бьефа и высотах расположения диска над выходным сечением наблюдается рост длины отлёта струи. Дальнейшее увеличение диаметра практически не влияет на величину отлёта. Таким образом, технически целесообразным диапазоном относительных диаметров диска - отражателя можно считать 1,7< D/d <3,0.

4. Графики зависимости l/d = f (t/h), показанные на рис.3.48, в сочетании с эмпирическими формулами (3.1) и (3.2) позволяют назначить соотношения размеров концевого участка с учётом глубины в нижнем бьефе и скорости струи в выходном сечении водовода, обеспечивающие благоприятный поверхностный режим сопряжения потока с нижним бьефом.

5. Приведенные на рис.3.3 графики зависимости коэффициента гидравлического сопротивления концевого участка предложенного нами типа от относительных его размеров и глубин в нижнем бьефе при разных скоростях в выходном сечении вертикального водовода дают возможность обоснованно выполнить расчёт пропускной способности сооружения.

6. Полученные в экспериментах формы распределения пьезометрического давления восстающей струи на диск - отражатель (рис.3.4.3.7) и графики относительной величины силы этого давления от размеров концевого участка и глубин потока за ним при разных скоростях выхода струи (рис.3.10.3.33) позволяют обоснованно выполнить расчёты прочности диска и поддерживающих его бычков.

1. Алиев Э.Д., Мариупольский А.Л. Эксплуатация типовых трубчатых сооружений на оросительных системах // Гидротехника и мелиорация. -1973, N 6. с.51 - 58.

2. Белоконев E.H. Трубчатые сооружения с ковшовыми гасителями и их реконструкция // Гидротехнические сооружения мелиоративных систем: Тр. / НИМИ. 05.14.09. - Новочеркасск: 1974, т.15, вып.6. -с.123- 131.

3. Бетонные и железобетонные конструкции, без предельного напряжения арматуры, СП52 101 - 2003. - М.: издание официальное, 2005г.

4. Водобойный колодец вертикального типа, № 1778224 Al кл Е 02 В 8/06 от 19.04.93г. (Ягин В.П., Давыдов И.А., и др.).

5. Гаситель энергии потока, №1786222 Al кл Е 02 В 8/06 от 19.05.93 г. (ГригорянК.А и АкопянГ.К).

6. Гаситель энерии водного потока, № 1608285 Al кл Е 02 В 8/06 от 14.02.1981 г. (Румянцев И.С и Петров Е.Ф.).

7. Гибсон А. Гидравлика и ее приложение. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1934. 613 с.

8. Гидравлика. Под общей ред. И.И.Агроскина. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1954. - 484 с.

9. Гидротехнические сооружения. Под ред. Н.П.Розанова. М.: Стройиздат, 1978. - 647 с.

10. Гидротехнические сооружения. Под ред. Н.П.Розанова. М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с.

11. Гунько Ф.Г. Гидравлические расчёты туннельных и трубчатых водосбросов гидроузлов. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1974.

12. Донный водоспуск, № 226156 кл 84 3/60 Австрия от 12.12.1961-1963 г.г. (Grzywienski А.)

13. Инженерные конструкции^ Под ред. Р.И.Бергена. М.: Издательство «Высшая школа», 1989. - 415 с.

14. Каганов Г.М:, Румянцев И .С. Гидротехнические сооружения. М.: Энергоатомиздат, 1994, выпуск 1. - 305 с.

15. Казиев НЮ. Трубчато напорный перепад. // Гидротехника и мелиорация. - 1950, № 9. - с.77 — 79:

16. Киенчук А.Ф. Некоторые типы гасителей энергии для сооружений оросительных систем //Гидравлика и мелиорация. 1967, № 4. - с.21 -25:

17. Киселева П.Г. Справочник по гидравлическим расчётам. — М.: Энергия; 1972.-312 с.

18. Концевой участок напорного ; водопропускного сооружения.2211279 С2 кл Е 02 В 8/06 от 27.08.03 г. (Бахтин Б.М., Расуанан -Драсана М.Ж:) <

19. Костин А.И., Севостьянов Т.Н. Усовершенствование выходной части трубчатого сооружения. // Гидротехника и мелиорация. — 1957. с.20 -23.22; Кузьмина З.Д. Водовыпуски во временные оросители. // Гидротехника и мелиорация. 1954, № 4. - с.ЗО - 34.

20. Лаппо Д.Д., Векслер А.Б., Войнич Сяноженций Т.Г. и др. Гидравлические расчёты водосбросных гидротехнических сооружений: справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 624 с.

21. Мельников А.М. Исследование несовершенного прыжка в воде в прямоугольном призматическом русле с горизонтальным дном. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск: 1961.'

22. Мойс П.П. Шахтные водосбросы. БГТ. М.: Энергия, 1970, вып. 15. - 80 с. •

23. Мойс II.П., Пашков Н.Н., Розанов Н.П., Тужилкин А.М. Лабораторные гидравлические; исследования вариантов, берегового водосброса Чарвакского гидроузла // Гидротехнические сооружения. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, сб.тр. № 32. - с.81 - 97.

24. Мохов С.А. Гашение энергии за трубчатыми водосбросами путем соударения потоков. // Гидротехнические сооружения; М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, сб.тр. № 32. - с.97 - 105.

25. Правила измерения расхода жидкости при помоши стандартных водосливов и лотков.рдп 99 77. - М:: издательство стандартов; 1977г. -52 с.

26. Петров Г А. Решётчатые гасители' энергии: // Гидротехничекоестроительство*- 1959, №9. с.39 -41.. " .

27. Петров Г. А. Решётчатые треугольные в плане гасителя; // Гидротехническое строительство. 1962, № 12. - с.37 - 39.

28. Рябенко А.А: Исследования прыжковой функции в зависимости от числа Фруда для русел; прямоугольной формы; — Тезисы докладов 18 республиканской НТК. Ровно: 1969, часть 2.

29. Саратов Н.Е. Гасители энергии на трубчатых водовыпусках. // Гидротехника и мелиорация. 1965, № 10. - с:29 - 35.

30. Слисский С.М. Гидравлические расчёты высоконапорных гидротехнических сооружений. М.: Энергия, 1979. - 336 с.

31. Слисский С.М. Гидравлические расчёты высоконапорных гидротехнических сооружений. -М.: Энергоатомиздат, 1986: -303 с.

32. Смыслов B.B. Теория водосливов с широким порогом. Киев: АН УССР, 1956.

33. Спышнов П.А. Фонтаны. Государственное издательство архитектуры и градостроительства, 1950.

34. Устройства нижнего бьефа водосбросов; Под ред. Н.П.Розанова.-М.: "КОЛОС", 1984.-269 с.

35. Храпковский В.А. Опыт применения типовых сооружений на оросительных системах Северного Кавказа: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.04.86. Новочеркасск: 1971. - 23 с.

36. Храпковский В.А., Шкуланов Е.И. Унификационные конструкции сбросных сооружений на рисовых системах. Новочеркасск: НИМИ, 1975.-6 с.

37. Цивьян Л.М. Водосбросные сооружения. М.: 1972 г, выпуск 1. - 36 с.

38. Циклаури Д.С. Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки. М.: Стройиздат, 1970. - 256 с.

39. Чиквашвили Б.М. Гидравлические расчёты напорных водосбросов высоких плотин. БГГ. - М.: Энергия, 1972, вып.31. - 120 с.

40. Шваинпггейн A.M. Строительные туннели и гидравлические условия работы. М.: Энергоатомиздат, 1986, вып.85. - 125 с.

41. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 639 с.

42. Шюшин В.Ф., Дубинчик Е.И. Высоконапорные подземные водосбросы. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

43. Якубов А.Х., Шкуланов Е.И., Белоконев E.H. Современное состояние проектирования трубчатых сооружений для рисовых оросительных систем // Гидравлика сооружений оросительных систем: сб. ст. / НИМИ. Новочеркасск: 1980. - с.72 - 82.

44. Julio V. Diseno de presas pequeñas. Instituto Cubana, del Libro, la Habana, 1972.-639 p.

45. Schoklitsch А. Гидротехнические сооружения. Der Wasserbau: t.2, 1930. - 923 р.

46. Wasserablauf einer Staumauer, № 3208055 AI кл E 02 В 8/06 (ФРГ).