автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлическое обоснование методов расчета водобойных колодцев с боковым отводом потока

БАКШТАНИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВОДОБОЙНЫХ КОЛОДЦЕВ С БОКОВЫМ ОТВОДОМ ПОТОКА

Специальность 05 23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2006

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Комплексное использование водных, ресурсов»

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

ГУРЬЕВ Алим Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

ПРАВДИВЕЦ Юрий Петрович

кандидат технических наук, профессор КОЗЫРЬ Ирина Евгеньевна

Ведущая организация - ЗАО ИНГПЦ «СОЮЗВОДПРОЕКТ»

Защита состоится 20 ноября 2006 г. в 1-5® ч на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201.

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

Автореферат разослан « 20 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

ИМ. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При возведении речных гидроузлов на горнопредгорных участках рек проектирование и строительство водопропускных сооружений часто бывает осложнено стесненными условиями створа, существенно осложняющими размещение их энергогасящих устройств.

В этих условиях в качестве основного типа энергогасящего устройства используется водобойный -колодец, особенно при наличии недостаточно прочных грунтов основания, поскольку гашение энергии с помощью отброса струи на средне- и низконапорных гидроузлах, как правило, оказывается неэффективным. Применение же водобойных колодцев требует наличия достаточного пространства как для размещения водобоя, так и для создания отводящего канала, обеспечивающего переход потока от режима с повышенными пульсационными характеристиками к бытовому режиму в русле реки. Однако, в горных условиях, как правило, этого пространства либо недостаточно, либо оно вовсе отсутствует, в связи с чем появляется необходимость выполнения выемки, имеющей большой объем.

Дальнейшее совершенствование конструкции водосбросов, снижение их стоимости и капиталовложений, а также уменьшение эксплуатационных расходов дает ощутимую экономию материальных и денежных средств, и поэтому проблема гашения энергии в нижних бьефах средне- и высоконапорных гидроузлов остается актуальной.

Кроме того, актуальность исследований определена тем, что многочисленные случаи возникновения опасных размывов русла и аварийных подмывов сооружений, большие объемы ремонтно-восстановительных работ свидетельствуют о том, что используемые до. настоящего времени методы расчета сопряжения бьефов в плавно расширяющихся руслах требуют дальнейшего уточнения. Известные конструкций для гашения избыточной энергии потока обладают как достоинствами, так и недостатками, в связи с чем они не являются универсальными и могут быть использованы только для определенного диапазона параметров участка сопряжения. Значительное упрощение задачи выпуска потока в русло может принести использование водобойного колодца с выходом воды в реку через боковую стенку, который является симбиозом водобойного колодца и бокового водослива.

Ввиду сложности гидравлических явлений, происходящих в таком сооружении, разработать методику его расчетного обоснования теоретическим путём достаточно сложно. В то же время выполненные нами расчеты по методике, составленной с рядом допущений, показали принципиальную возможность использования такой конструкции с высокой степенью надежности её работы.

Получение надежных расчетных зависимостей определили необходимость проведения модельных гидравлических исследований работы водобойного колодца с боковым выпуском воды в виду отсутствия экспериментального материала, достаточно детально освещающего работу такой конструкции.

Цель исследования заключается в гидравлическом обосновании рациональной конструкции гасителей энергии для средне- и низконапорных водосбросных сооружений, обеспечивающей эффективность гашения избыточной энергий потока в пределах расширяющегося водобойного колодца при наличии выреза в боковой стенке и глухой торцевой стены.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- экспериментально обосновать возможность использования колодца данной конструкции в практике гидротехнического строительства;

- экспериментально изучить режимы сопряжения потоков в нижнем бьефе-для непризматического колодца прямоугольного сечения с вырезом в боковой стенке;

- исследовать кинематическую структуру потока в пределах участка диссипации энергии в случае бокового отвода воды;

- определить гидравлические характеристики потока в зоне пространственного прыжка;

- изучить распределение гидродинамической нагрузки на боковые и торцевую стснки водобойного колодца;

- разработать рекомендации по расчетному обоснованию и проектированию рассматриваемых гасителей энергии.

Научная новизна работы состоит в том, что в ее рамках:

- разработана новая конструкция водобойного колодца для средне- и низконапорпых водосбросов;

- исследована структура потока в водобойном колодце предлагаемой конструкции при различных режимах работы;

- получены расходные характеристики отверстия в боковой стенке водобойного колодца в зависимости от величины выреза и глубины колодца;

-получены результаты распределения осредиенных значений давления на стенки колодца;

- определена кинематическая структура потока на выходе из колодца;

- разработаны рекомендации по методике расчетов водобойного колодца с боковым отводом потока.

Практическая ценность. На основе проведенных модельных гидравлических исследований предложено новое техническое решение конструкции водобойного колодца с боковым выпуском воды, позволяющее обосновать оптимальные параметры сопрягающего устройства для водосбросов трубчатого типа, использующих такие

водобойные колодцы, и разработаны рекомендации по их гидравлическим расчетам. Предложенная новая конструкция водобойного колодца была использована в проектах гидроузлов Кейнах и Шакра в САР, запроектированных ЗАО ПО «Совинтервод» с участием автора этой работы.

Достоверность результатов. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием современных и тщательно оттарированных приборов, средств регистрации измерений, а также современных методов обработки опытных данных, с многократной повторяемостью результатов исследования.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях МГУП (20022006гг.), на заседаниях кафедры комплексного использования водных ресурсов МГУП (2002-2006гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, насчитывающего 91 наименование. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, иллюстрирована 59 рисунками, содержит 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цели, задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации приведены результаты анализа существующих ^конструкций энергогасящих устройств и условий их применения, приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических исследований, посвященных работе боковых водосливов.

Осуществленный обзор литературы позволил выявить степень изученности вопросов гашения избыточной энергии потока, оценить эффективность использования различных конструкций гасителей энергии для средне- и низконапорных водосбросных сооружений. Выполнен анализ методов расчета параметров гидравлического прыжка. Рассмотрены различные конструкции устройств нижнего бьефа низко- и средненапорных гидротехнических сооружений, подробно проанализированы достоинства и недостатки гасящих устройств, в том числе изложенные в работах Н.П. Розанова, И.С. Румянцева, Н.Т. Кавешникова, Е.И. Китова, О.Н. Черных, В.И, Крупнова, B.C. Чехонадских и др.; выполнен анализ современного состояния вопроса о прыжковом сопряжении бьефов в непризматическом русле по работам М.З. Абрамова, В.В. Баронина, Э.С. Бегляровой, H.H. Беляшевского, Ф.Г. Гунько, Е.А. Замарина,Ф.И. Игнатенко, И.Е. Козырь, Д.И, Кумина, М.А. Михалева, Ф.И. Пикалова, А.П. Рахманова, М.М. Скибы, П.К. Цветкова, И. А. Шеренкова и др.

Анализ этих конструкций энергогасящих устройств показал, что не обладают универсальностью и в каждом конкретном случае для обеспечения надежной работы требуют проведения соответствующих модельных гидравлических исследований. Поэтому основной конструкцией для 1-ашспия энергии потока на средне- и низконапорпых гидроузлах остаются водобойные колодцы.

Приведенный анализ работ, посвященных изучению сопряжения потоков с помощью гидравлического прыжка, выявил широкий диапазон полученных результатов теоретических исследований, отличающихся между собой, и в ряде случаев противоречащих результатам экспериментальных исследований. Сложность гидравлических процессов, возникающих в пространственном гидравлическом прыжке водобойного колодца с боковым отводом потока, многообразие его форм, неопрсделенпость характера самого явления создают большие трудности для исследователей как при разработке общей теории, так и при экспериментальном изучении механизма работы конструкции. На этом основании нам представляется наиболее целесообразным пользоваться зависимостями, полученными в экспериментальных исследованиях. Как показал обзор выполненных экспериментальных работ, и здесь имеется широкий спектр результатов, определенный конструкциями сопрягающих устройств, изученных авторами.

Учитывая эти обстоятельства, в дальнейшем нами использованы зависимости Бсгляровой Э.С., полученные для конструкции расширяющегося водобоя, наиболее близко совпадающего с изучаемым нами гасителем. Кроме того, эти зависимости были получены на основе детальных экспериментальных исследований в широком диапазоне конструктивных параметров сооружения и гидравлических параметров потока.

Учитывая особенности изучаемой нами конструкции водобойного колодца с выпуском воды через боковую стенку, проанализированы теоретические и экспериментальные исследования работы бокового водослива, изложенные в работах, Е.А. Замарина, К.Г. Липатова, А.Я. Миловича, Я.'Г. Ненько, Г. А. Петрова, Д.Я. Соколова.

Вгораи глава диссертации посвящена разработке конструкции водобойного колодца с боковым отводом потока и теоретическому обоснованию гидравлических условий его работы.

Ввиду отсутствия экспериментального материала по изучению пространственного подпертого гидравлического прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском воды, была рассмотрена конструкция, представленная на рисунке 1.

Гашение энергии входящего в колодец потока начинается уже в зоне примыкания концевой части водосбросного туннеля к колодцу, где формируется валец с горизонтальной осью вращения, аналогичный вальцу

в традиционном водобойном колодце с прямоосным отводом потока. Дальше поток движется с расширением в вертикальной плоскости вдоль боковых стенок к глухой торцевой стене водобойного колодца. При достижении потоком воды бокового выреза происходит её выход в отводящий канал.

Рассмотрим условия, при которых происходит истечение воды через боковой водослив. Вследствие наличия скорости в потоке, параллельной кромке водослива, скорость в какой-либр точке струйки, переливающейся через водослив, направлена косо по отношению к гребню водослива. Взяв сечение с вертикальной плоскостью, проходящей через гребень водослива, и пренебрегая вертикальными слагающими скорости, можем написать зависимость, предложенную С.С. Рудневым, для скорости в какой-либо точке над кромкой водослива:

v2-vu2+v^ (о

где va и v„ - слагающие скорости: параллельная кромке водослива и перпендикулярная выбранному нами сечению.

Для расхода через элементарную площадку длиной Ш в выбранной плоскости получим

<*д = у„-4Г (2)

Примем далее известную упрощенную схему для вывода формулы истечения через нормальный водослив как через отверстие большого размера. Из уравнения Бернулли имеем для какой-либо точки в выбранном сечении

V2 V2 V2 V2

=-= + (3)

где у* - скорость в колодце, х - вертикальное расстояние до рассматриваемой точки от поверхности воды в колодце (рис.2).

Из (3) имеем

(4)

В последних двух уравнениях мы можем брать и г в любой точке на поверхности в том же сечении колодца, где располагается выбранная

V2

элементарная площадка, так как из вышесказанного сумма - ; ** ,

входящая в уравнение (3), постоянна.

Для определения связи между и напишем уравнение количества движения для элемента объема, ограниченного двумя сечениями в колодце, отстоящими друг от друга на расстояние д/, свободной поверхностью, стенками колодца и вертикальной плоскостью, проходящей через кромку

водослива (рис. 2).

Выражение для суммы секундного количества движения и силы в начальном сечении будет иметь вид

п

jwdh

(5)

Я о

Приращение количества движения для этого выражения, равное их разности в двух близких сечениях, будет равно

Г

+ wdh

Я

Приравнивая эту разность проекции движения, уходящей через водослив, получим

(6)

секундного количества

d(Q-vx) 8

+ wdh

8

откуда имеем

HZ S

Уравнение Бернулли даст для соседних сечений колодца г2

—+ h ~ const

или после дифференцирования и умножения на w

W

8

Q

= —- • dvx + wdh ~ 0.

J

Сравнивая с (8), получим

V V

8 Я или, наконец,

V = V

г а х

Теперь уравнение (4) принимает вид ..2

2*

(7)

(8)

(9)

(10)

(И)

(12)

(И)

Таким образом, мы приходим к выводу, что, несмотря на наличие скорости в потоке, подходящем к водосливу, и косое направление струй, переливающихся через водослив, скорость V,,, определяющая согласно уравнению (2) расход через водослив, должна подсчитываться так же, как в случае истечения через водослив из бассейна, при отсутствии скорости

подхода. При этом уровень свободной поверхности воды, покоящейся в бассейне, соответствует уровню поверхности текущей по колодцу воды в поперечном его сечении против рассматриваемого элемента водосливной кромки. С учетом этого уравнение (2) принимает вид

где - расход на участке длиной сИ, р - высота порога водослива над дном канала, и ш- коэффициент расхода водослива.

В третьей главе диссертации изложены основные положения методики модельных • исследований водобойного колодца с боковым выпуском воды, принятой автором диссертации, дано описание экспериментальной установки, средств измерений, технологии проведения экспериментов, а также приведены результаты оценки точности проведенных измерений в соответствии с теорией ошибок.

При проведении исследований работы водобойного колодца с выпуском воды через боковую стенку за базовую принята модель шахтного водосброса гидроузла Джедра в АНДР.

Экспериментальная установка была размещена в большом зеркальном лотке лаборатории гидросиловых установок им. Д.Я. Соколова кафедры комплексного использования водных ресурсов МГУП, который имеет дно с нулевым уклоном, шириной 100 см и длиной 950 см, присоединенный к приемному баку с размерами в плане 1,64x2,0 м. Конструкция модельной установки показана на рисунке 3.

Экспериментальная установка состоит из питающего трубопровода 1, из которого через успокоительную решётку 2 вода поступает в приемный бак 3. К приёмному баку присоединён зеркальный лоток 4, в конце которого установлен жалюзный затвор 5, позволяющий регулировать уровень воды в лотке 4. Из лотка 4 вода попадает в лоток мерного водослива 6, в конце которого установлен треугольный мерный водослив 7 с острой кромкой и углом выреза 90°. Лоток мерного водослива б установлен в резервуаре 8 с оборотной водой, расположенном под полом лаборатории. В смоделированном участке верхнего бьефа 9 установлена верхняя часть модели шахты 10, к которой последовательно присоединены модель туннеля 11 и водобойного колодца 12. Напор на мерном водосливе 7 определялся с помощью пьезометра 15 уровня мерного водослива.

Регулирование расходов выполнялось задвижкой, установленной па напорной линии питающего трубопровода. Высота порога водослива Р=280 мм и ширина мерного лотка Ь=1000 мм. Напор на водосливе определялся с помощью шпитценмасштаба, установленного в специальном стакане, который был соединен с мерным лотком шлангом.

(14)

Для всего расхода через элементарную площадку f получим

(15)

Расход водослива определялся по формуле:

0 = 4.43-Я5'2,л/с (16)

где Н- напор на водосливе в дм.

Модель водобойного колодца была выполнена из оцинкованного железа толщиной 0,55 мм с толщиной цинкового покрытия 100 мкм. Такая толщина покрытия соответствует абсолютной высоте выступов шероховатости 0,02 мм, что для натуры составляет 1,2 мм. Поскольку в процессах, происходящих в водобойном колодце, шероховатость стен не оказывала практического влияния, выбранный для модели водобойного колодца материал соответствовал в натурных условиях бетону. Таким образом, принятый масштаб моделирования 1:60 и использованные материалы обеспечивали гидравлически подобные режимы во всем диапазоне основных расходов водосброса.

В процессе модельных гидравлических исследований работы водобойного колодца с выпуском воды через боковую стенку определялись следующие характеристики: уровни свободной поверхности воды и глубины потока, расход, местные скорости потока на выходе из водобойного колодца, распределение давлений потока на торцевой стене и пороге водосливной грани водобойного колодца, глубины потока на выходе из водобойного колодца.

Скоростной напор, замеренный трубкой Пито диаметром 3 мм с диаметром приёмных отверстий 0.3 мм, определялся с помощью наклонного микроманометра, оборудованного нониусом с точностью отсчёта 0.1 мм. С помощью пьезометров измерялось распределение давлений потока на торцевую стену и водосливной порог колодца.

Модельные исследования проводились при числах Фруда на входе в водобойный колодец в диапазоне /7>=7...42, которое увеличивалось на участке растекания потока непосредственно в призматической части от 36 до 78. Условия проведения и исходные гидравлические параметры опытов обеспечивали диапазон чисел Рейнольдса Яе=2,0 104...60,0 104, что позволяло отнести исследуемое явление к автомодельной области по критерию Не и считать определяющим критерием число Фруда.

В процессе исследований после стабилизации режима осуществлялось: фотографирование, измерение основных гидравлических параметров с помощью стандартной аппаратуры. В целях подтверждения достоверности получаемых результатов была осуществлена оценка точности проводимых измерений. Величины находятся в приемлемом диапазоне.

В четвертой главе представлены основные результаты экспериментальных исследований гидравлических условий работы водобойного колодца с боковым выпуском воды. В начальной части главы

подробно описаны гидравлические картины движения потока в предлагаемой конструкции водобойного колодца.

Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что в пределах выреза в боковой стене в поперечном сечении колодца глубина свободной поверхности вдоль правого борта, непосредственно в зоне выреза, минимальна, а у левого борта имеет максимальные значения. У торцевой стенки колодца формировался бурун, который образовывался восходящей транзитной струей прыжка, что определяло повышение уровня воды до величины, равной энергии потока

2

£ = (17)

где V, - скорость транзитной струи.

В продольном разрезе по оси потока свободная поверхность прыжка приведена на рисунке 4 в виде безразмерного графика ~ ^ - /(х)> где

_ X

х ~--, а х - расстояние от начала прыжка, что позволило нем

К

получить уравнение свободной поверхности

= Ч).0025(3с)4 + 0.04б(х)3 -0.31(х)2 +0.89(х). (18)

К -Л

Результаты наших исследований позволили определить геометрические параметры гидравлического прыжка {къ /я/)) и сопоставить с результатами исследований традиционного водобойного колодца с прямоосным отводом потока. В случае конструкции колодца с боковым водосливом прыжок обладает более крутым повышением уровня свободной поверхности в начале прыжка. На участке от начала прыжка до начала водослива уровень свободной поверхности потока воды зависит от длины выреза в боковой стене. При малой длине выреза ¿0,5) энергии части

потока в пределах высоты гидравлического прыжка, расположенного выше порога выреза, не хватало для выхода потока в отводящий канал. В связи с этим глубины в водобойном колодце повышались до тех пор, пока энергия потока не обеспечила выход воды в русло через прорезь в боковой стенке как через водослив с широким порогом. В этом диапазоне длины выреза глубина в водобойном колодце была выше, чем глубина в прямоосном колодце. При относительной длине выреза 0.5 < #//й/) < 0,6 в пределах

водослива средняя глубина в колодце совпадала со средней глубиной для обычного непризматического колодца и при Л/ > 0,6 станов ил ас ьменьше на 5-10%.

Опыты показали, что глубина воды по длине гребня бокового водослива распределялись неравномерно. Общая форма кривой свободной поверхности потока на гребне бокового выреза при разных расходах через него соответствовала положению гидравлического прыжка в колодце. Кривая свободной поверхности воды по длине гребня и бокового водослива с увеличением расхода становилась круче, то есть разница в отметках поверхности воды в начале и в конце гребня увеличивалась.

В конце водобойного колодца с боковым выпуском воды глубина потока формировалась не только величиной второй сопряженной глубины и напором, необходимым для выпуска потока, но и восстановлением энергии транзитной части потока. На графике рисунка 5 показаны максимальные глубины в водобойном колодце в долях от второй сопряженной глубины Ь" для прямоосного колодца в зависимости от относительной длины выреза Ь/!пр. Начальная точка графика Ь/1пр=Ю соответствует работе водобойного колодца, выполненного в виде короба с выпуском воды через его борта. Максимальная глубина воды формировалась над торцевой стенкой, высота которой условно была принята равной высоте подъема транзитной струи

. - са>2

при встрече с торцевой стенкой, равной п Н--.

Как видно из рисунка 5, влияние на формирование потока через боковую стенку сказывается при длине выреза Ъ<1пр) что позволяет

проектировать водобойный колодец с боковым вырезом без одной из боковых стен при условии, что высота порога боковой стенки будет не меньше толщины транзитной струи. При полном удалении боковой стенки и высоте порога, равной или большей высоты транзитной струи, питание выреза начинается со створа, в котором глубина воды в прыжке больше высоты порога. В начале прыжка спутная струя вальца имеет максимальные скорости, в связи с чем часть его расхода, выходящая из прорези, имеет большую осевую составляющую скорости потока, что совместно с небольшой величиной напора на пороге сводит к нулю удельный расход в этой зоне.

При использовании водобойного колодца в качестве энергогасящего устройства, воспринимающего удар поступательного потока, необходимо знанть поле скоростей в пределах выхода потока из него. На рисунке 6 представлены эпюры средних скоростей в сечении, параллельном сечению бокового выреза в зоне формирования параллельно-струйного течения. Как видно из этого рисунка, прослеживается практически равномерное плановое распределение местных скоростей с наличием экстремума у конца выреза, примыкающего к торцевой стенке водобойного колодца, поскольку глубина в колодце и напор над ребром выреза максимальны.

Проведенные нами исследования по изучению направления и величин максимальных скоростей по длине г ребня водослива показали, что поле скоростей изменяется с изменением длины гребня и расхода

водослива. Угол ¡3 , составляемый вектором скорости с гребнем водослива,

в конце водослива составляет р = 90", а в начале водослива значения

угола р не превышает 62°.

Исследования движения воды через боковой вырез показали, что вследствие наличия осевой составляющей скорости в начале выреза имеется значительное сжатие потока в плане. Величина планового сжатия потока за гребнем бокового водослива переменная и зависит от расхода водобойного колодца, связанной с ним скорости потока на водосливе, и длины гребня. В дальнейших расчетах нами принимается полная длина водослива, а факторы, влияющие на пропускную способность, в том числе и сжатие, учитываются коэффициентом расхода т.

При определении коэффициента расхода бокового водослива мы принимали, что:

- напор на пороге бокового водослива определяется по разности глубины потока в водобойном колодце Нк и высоты порога водослива р, т.е. Но = Нк - р. Поскольку в пределах выреза свободная поверхность менялась практически по линейному закону, за Но принималось среднее значение;

- относительное отклонение вектора скорости потока V от нормали к боковой стенке учитывалось экспериментальными значениями коэффициента расхода т.

В процессе проведения опытов нами было установлено, что величина .расхода через боковой водослив определяет г лубину потока в водобойном колодце и на гребне бокового водослива в зависимости от длины выреза.

На рисунках 7-9 показано распределение удельных расходов в нижнем бьефе за вырезом. Измерения проводились в сечении, в котором формировалось практически параллельно-струйне движение. По длине выреза в боковой стенке величина удельного расхода была переменной. При относительной длине выреза В/1))р = 0,4 максимальные удельные

расходы приходились на начало выреза. Это объясняется тем, что в концевой части выреза, примыкающей к торцевой стенке колодца, поток питается, в основном, из вертикального вальца, образованного восходящим потоком донной транзитной струи прыжка. Начальная и центральная зоны выреза питаются возвратной струей вальца, которая подает воду из большей зоны питания, охватывающей всю ширину водобойного колодца. При увеличении длины выреза В/1 = 0,5 зона максимальных удельных

расходов остается практически на прежнем месте, но относительно длинны выреза смещается в сторону центра, что видно на рисунке 8. При еще

большем увеличении длины выреза ¿?у7пу)£0,б зона питания бокового

выреза перемещалась в область пониженных глубин гидравлического прыжка, которая имела меньшие удельные расходы и за счет бокового планового сжатия потока формировала векторы скорости с большим отклонением от нормали к вырезу.

Экспериментально определяемую величину коэффициента расхода бокового водослива мы подсчитывали по формуле

б

т =

О 9)

На основании расчетов нами были построены графики (рис. 10)

т^Л

)

и

т-Л

получить зависимость для

аппроксимация определения

которых позволила

коэффициента расхода

т = /1

/

т = 0,97

В

-0,998

г

Я,

\

К

_0,46—-0,12

ир

(20)

V' шах /

где В - длина бокового выреза, 1пр - расчетная длина прыжка, Н0 -средний напор на водосливе, Итах - максимальная расчетная глубина в лрямоосном водобойном колодце с высотой порога, соответствующей выпуску потока в нижний бьеф, равной р = Е"~Ебмб.

На рисунке 11 представлены линии равных значений коэффициента расхода т^(р/ртах,В/!„р) для 0=25.1л/с. Увеличение длины выреза ведет к снижению коэффициента расхода т, что объясняется увеличением стеснения потока в боковом вырезе и большей величиной отклонения от нормали местных скоростей потока в створе выреза. Однако снижение коэффициента расхода не является критерием неэкономичности конструкции водобойного колодца с боковым отводом потока. Общим эффектом увеличения длины выреза является уменьшение потребного количества бетона, связанное с уменьшением общей высоты колодца, при одновременном уменьшении объема боковой стенки, в которой устраивается вырез.

На основании проведенных экспериментальных исследований был установлен характер распределения давления на стенки водобойного колодца и порог в стене, через который выполняется выпуск воды. Построенные эпюры показали, что это давление, практически, распределяется по гидростатическому закону.

По данным замеров глубин в водобойном колодце были построены графики зависимости потерь энергии при наличии бокового выреза. Особенностью работы этого водобойного колодца является забор воды из вальца гидравлического прыжка. По общепринятым представлениям валец является диссипатором энергии гидравлического прыжка. С этих позиций уменьшение параметров вальца должно приводить к уменьшению эффективности гашения энергии в водобойном колодце. Для оценки эффективности были подсчитаны потери энергии как разница энергии в сжатом сечении и у торцевой стенки относительно дна водобойного колодца. Л качестве энергии у торцевой стенки принималась глубина с учетом восстановления кинетической энергии. На рисунке 12 представлены графики зависимости от числа Рг в сжатом сечении для призматического колодца, соответствующего параметрам потока на входе в водобойный колодец при а-/ и а~1>05, для расширяющегося водобойного колодца с сжатым сечением на его дне и по данным эксперимента. Из этих графиков видно, что расширяющийся водобойный колодец является более эффективным инструментом гашения потока числах Фруда Рг>45.При наличии бокового выреза гашение энергии оказалось менее эффективным, чем в водобойном колодце с прямоосным выпуском воды. Это можно объяснить, что при боковом выпуске воды уменьшалась интенсивность вальца. Снижение эффективности гашения энергии вальцом частично компенсируется потерями на удар транзитной струи о торцевую стенку и наличием поворота струи на 90? в боковой вырез.

В пятой главе рекомендуется следующая последовательность расчетов водобойного колодца с боковым отводом потока:

1.При расчете сопряжения потоков в нижнем бьефе при пропуске катастрофического паводка принимается пиковый расчётный расход, учитывающий трансформацию паводка водохранилищем.

2. В зависимости от уклона водовода водосбросного сооружения поток в концевом сечении имеет глубину Ьь с которой поступает во входное сечение водобойного колодца.

3. Назначается ширина водобойного колодца на выходе В, определяемая максимальным сбросным удельным расходом д.

4,Определяется скорость потока на входе V в водобойном колодце с учетом его растекания в плане при прохождении максимального сбросного расхода:

Г = (21)

по

5. Вторая сопряженная глубина А" в расширяющемся водобойном колодце определяется из уравнения прыжковой функции для непризматического русла, которое имеет вид:

+ . (в + 2. й) _ 1. „«. и. (в _ 4) = + . (2. в + 4) (22)

Вп 2 В'о- п

где 0 -расход;

%~9.81 м/с2 - ускорение свободного падения;

В и Ь - ширина водобойного колодца в конце и в начале;

к" и к' -глубины в водобойном колодце в конце и в начале.

6. Проведенными нами исследованиями установлено, что в водобойном колодце с боковым выпуском воды длина вальца гидравлического прыжка практически совпадает с длиной прыжка в прямоосном водобойном колодце в связи, с чем длину колодца можно принимать равной 0,7 - 0,8 длины гидравлического прыжка 1пр, определяемую по одной из известных зависимостей:

2,5(1,9^-/*,), (23)

-Х?л\ (24)

И'-И ' ЬУ ' с ;

где Рг - число Фруда в сжатом сечении.

7. Особенностью конструкции рассматриваемого водобойного колодца является вырез в боковой стенке, через который осуществляется выпуск воды н нижний бьеф как через боковой водослив. Транзитное движение воды в продольном направлении происходит только до торцевой стенки колодца, где произойдёт повышение уровня воды на величину

скоростного напора потока в водобойном колодце аУ^ / , где

йг-1.4-П.6- по данным замера. При ширине водобойного колодца В и расчётной глубине И" средняя скорость в колодце Ук будет:

О,

Ук = (26)

* ВЪ"

Максимальная глубина колодца кк: сXV2

А. —+ (27)

Высоту стен водобойного колодца принимаем равной И к.

8. Для выпуска воды из водобойного колодца в отводящий канал в его боковой стенке выполняется вырез, примыкающий к торцевой стенке водобойного колодца. При такой конструкции водобойного колодца его боковая стенка с прорезью работает как боковой водослив, уравнение расхода которого имеет' вид:

ёд = - р)г • Ш , (28)

где - расход на участке длиной 41 \

к - глубина воды в колодце в рассматриваемом сечении, определяется по зависмости (18);

р - высота порога бокового водослива со стороны водобойного колодца;

т - коэффициент бокового водослива, значение которого определяются по графику (рис. 12).

р -- (0.5 + 0.15)Рпр.в.к.,

где Рпр.в.к. - высота порога для прямоосного водобойного колодца.

Рпр.в.к. —

где - бытовая глубина в русле реки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ литературных источников других авторов показал, что существующие конструктивные решения гашения энергии в нижнем бьефе, как правило, рассчитаны на прямоосный отвод воды. В этих условиях возникает потребность в прокладке отводящих каналов, что в условиях горного рельефа местности требует значительных дополнительных капиталовложений.

2. В результате проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований решены все поставленные задачи и достигнута основная цель: даны конкретные предложения по созданию более экономичных конструкций и компоновок концевых участков водосбросов в виде водобойных колодцев с боковым отводом воды.

3. Анализ результатов экспериментов позволяет заключить, что при проектировании энергогасящих устройств водосбросов в нижних бьефах гидроузлов допустимо применение непризматического водобойного колодца при центральных углах расширения стенок 26=14° с боковым выпуском воды.

4. С помощью методов теории подобия и размерностей была запроектирована и построена гидравлическая установка, позволяющая подтвердить полученные теоретические зависимости. Последняя была оснащена традиционной измерительной аппаратурой для регистрации характеристик течения потока воды. В целях оценки достоверности получаемых результатов был выполнен анализ точности проводимых измерений.

5. На основании экспериментов получены значения коэффициента расхода т для определения параметров выреза в колодце с боковым выпуском воды, значения которого можно определить по зависимости (20).

6. Для определения геометрических и кинематических параметров гидравлического прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском воды рассматриваемой конструкции проведены исследования при центральном угле расширения стенок 20-14°. Опыты проведены в диапазоне чисел Фруда }''г~36... 78 в сжатом сечении потока.

7. Предложены графические зависимости для определения второй сопряженной глубины прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском воды приведены на рис. 4.

8. В результате исследований кинематики потока в колодце рассматриваемой конструкции при различной высоте порога и длине бокового выреза получено, что:

- поток из бокового водослива выходит не ортогонально;

- величина максимальной скорости потока по длине гребня водослива увеличивается;

- распределение удельного расхода по длине выреза зависит от его относительной длины.

9. Установлено, что давление на стенки водобойного колодца и порог в стене, через который выполняется выпуск воды, распределяется по гидростатическому закону.

10. Установлено, что потери энергии в водобойном колодце с боковым выпуском воды меньше чем в водобойном колодце с прямоосным выпуском (рис. 12).

Публикации. По материалам диссертационных исследований осуществлены следующие публикации:

1. Водобойный колодец с боковым выпуском воды. Природоохранное обустройство территорий. Сборник материалов научно-технической конференции (23-25 апреля)/ МГУП, М., 2002, с.105. (Соавтор: А.П. Гурьев).

2. Влияние высоты уступа водобойного колодца на гашение энергии. Природоохранное обустройство территорий. Сборник материалов научно-технической конференции (23-25 апреля)/ МГУП, М., 2002, с.105-106. (Соавтор: А.П. Гурьев).

3. Управление потоком за водобойным колодцем. Природоохранное обустройство территорий. Сборник материалов научно-технической конференции (23-25 апреля)/ МГУП, Мм 2002, с.78-79. (Соавторы: А.П. Гурьев, Э.С, Беглярова).

4. Научное обоснование проектных решений шахтного водосброса гидроузла Джедра. Отчет о научно-исследовательской работе.' НИЧ МГУП, 2003, - 19,4 п.л. (Соавторы: А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова, С.А. Соколова).

5. Исследования работы водобойного колодца с боковым выпуском воды. // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи

НТТМ-2004 (7-10 июля): Сборник материалов. - М: ОАО «ГАО ВВЦ», 2004, с. 161.

6. Определение параметров потока в водобойном колодце в зависимости от длины бокового выреза. // Природообустройство и рациональное природопользование — необходимые условия социально-экономического развития России: Сборник научных трудов. - М.: МГУП, 2005, часть 1, с. 39-43. (Соавторы: А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова).

7. Некоторые результаты исследования в водобойном колодце с вырезом в боковой стенке. // Проблемы экологической безопасности и прир ^пользования: материалы научно-технической конференции / Под. ред. Д.т.н., проф. Пряхина В.Н. - М.: «Норма» МАЭБП, 2005, вып. 6., т. 1, с. 179-182. (Соавторы: А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова).

8. Влияние длинны бокового выреза на параметры потока в водобойном колодце. ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ». Вопросы мелиорации. № 1-2,2005, с. 67-73. (Соавтор: А.П. Гурьев).

Рис. 1. Конструкция водобойном колодце с боковым выпуском воды: 1 -- концевая часть водосбросного туннеля; 2 - наклонный роспуск; 3 -расширяющийся в плане водобойный колодец; 4 - глухая торцевая стенка; 5 - боковые стенки ; 6- вырез ; 7 - порог; 8 - отводящий канал.

' У 7 ГУ ////// / / У У'У У У У У У У ГУ~//>■/-/-? У / / / / /V/У 7 У/ТУ У ГУ У У У У / У У У УУ~7.

Рис. 3. Экспериментальная установка шахтного водосброса: 1. питающий трубопровод; Л —""-----——.к..........

2. успокоительная решетка;

3. приемный бак;

4. зеркальный лоток;

5. жалюзи для регулирования уровня воды в лотке;

6. лоток мерного водослива;

7. мерный треугольный водослив;

8. резгрзугр с оборотной зодой; *

9. смоделированный участок верхнего бьефа, прилегающий к шахтному водосбросу;

10. шахта; И. туннель;

12. водобойный колодец;

13. смоделированный участок реки;

14. пьезометр уровня верхнего бьефа;

15. пьезометр уровня мерного водослиза.

Рис. 4. Зависимость относительных глубин потока от относительного

расстояния от начала прыжка: ■ В/Ьпр=0,4; д В/Ьпр=0,5; X В/Ьпр=0,6; • прямоосный колодец.

ЬтахЛгё

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

В/Ьпр

Рис. 5. График изменения максимальных глубин в водобойном колодце в долях от второй сопряженной глубины для лрямоосного колодца

вертикаль I, Ь~5,1см

»сргиквль Н, 11"б,1см

0.0

0,0 50,0 ЮО.О 150,0 200,0 V, см/с

0,0 50.0 100,0 150,0 200,0 V, см^с

вертикаль III, ¡1=5,1 см

вертикаль IV, 11- 5,1см

0.0 50,0 100,0 150,0 200,0 V, см/с

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 V, см/с

вертикаль V, 1г*4,1см

0,0 50.0 100,0 150,0 200,0 V, см/с

Рис. 6. Эпюры скоростей потока, выходящего из выреза в боковой степкс водобойного колодца при <3-25 Л л/с

Я,дм /с

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 7. Графики зависимости изменения удельного расхода вдоль выреза при В/Ьпр=0,4:

0=25,1 л/с; 0=17,9л/с; 0=10,75л/с.

цдм2/с

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 8. Графики зависимости изменения удельного расхода вдоль выреза при В/Ьпр=0,5:

0=25,1 л/с; -о- 0= 17,9л/с; -л- 0=10,75 л/с.

, ддм /с

0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8

Рис. 9. Графики зависимости изменения удельного расхода вдоль выреза при В/Ьпр=0,6:

>~0=25Дл/с; -о-0=17,9л/с; -й~О=10,75л/с.

т

0,5 0,45 0,4 0.35 0,3 0,25 0.2 0.15 0,1

I )

0,1

I

0,2

0,3

0.4 0.5

11о/1]тах

Рис. 10. График изменения зависимо™ т= ^(Но/Итах), (В/Ьпр)) при р=согк1:

ОВ/Ьпр-0,4; Я В/Ьпр-0^; Л В/Ьпр-ОД

1 р/ртах

О 0,3-0,35| □ 0,25-0,3! И 0,2-0,25; Ш 0,15-0,2!

Рис, 11. Изотахи значений коэффициента расхода т-/(р/р„мх,Л/1пп) для

0-25.1 л/с

0,90 0,80 0,70 0.60

0,50-----------

0.40--------------

/;<

0,30---------------

. >

0,20 ---------------

0,10------------------

0,00 4-i------—Н-------

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 . 75

Число Fr

Рис. 12. Зависимость потерь энергии в

гидравлическом прыжке:

о призматический водобойный колодец приа=1;

.....призматический водобойный колодец при« = 1,05;

° расширяющийся водобойный колодец; д эксперимент.

rf* --- 1--

, -о

у •V У* о*1 *

✓ А

:/ / *

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак. № Тираж

Введение.

Перечень условных обозначений.

Глава 1. Анализ существующих конструкций энергогасящих устройств и условий их применения.

1.1. Конструкции гасителей энергии для средне- и низконапорных водосбросных сооружений и эффективность их действий.

1.2 Существующие способы расчета гидравлического прыжка в расширяющихся прямоугольных руслах.

1.3. Анализ зависимости для определения потерь энергии в пространственном прыжке.

1.4 Обзор теоретических и экспериментальных исследований работы бокового водослива.

1.5. Выводы по 1-ой главе.

Глава 2. Теоретическое обоснование работы водобойного колодца с боковым отводом потока.

2.1 Конструкция водобойного колодца и принцип его работы.

2.2 Расчетная схема и вывод основных геометрических параметров потока

Глава 3. Методика модельных гидравлических исследований. Особенности течения в нижнем бьефе в условиях пространственной задачи для водобойного колодца с боковым выпуском воды.

3.1. Общие вопросы моделирования гидравлических явлений, имеющих место в нижнем бьефе. Вопросы подобия.

3.2. Описание экспериментальной установки. Методика проведения модельных исследований и контрольно-измерительная аппаратура.

3.3. Оценка точности и ошибки измерений, осуществляющихся в процессе проведения исследований.

3.3.1. Ошибка при измерении глубины потока в водобойном колодце.

3.3.2. Точность определения местной скорости потока.

3.3.3. Оценка точности измерения расходов по мерному водосливу.

3.3.4. Точность определения расхода по измерениям скорости.

3.3.5. Точность определения давления.

3.4. Планирование эксперимента.

3.5. Выводы по 3-ей главе.

Глава 4. Результаты исследования гидравлических условий работы водобойного колодца с боковым выпуском воды.

4.1. Описание гидравлической картины работы водобойного колодца с прямоосным отводом потока.

4.2. Описание гидравлических режимов в водобойном колодце с боковым выпуском потока.

4.3. Сопоставление геометрических параметров потока в водобойных колодцах.

4.4. Исследование кинематической структуры потока выходящего из водобойного колодца с боковым выпуском воды.

4.5. Определение коэффициента расхода бокового водослива.

4.6. Распределение удельного расхода по длине гребня бокового водослива

4.5. Потери энергии в "пространственном прыжке".

4.6. Гидродинамические нагрузки на элементы конструкции водобойного колодца с боковым выпуском воды.

4.7. Выводы по 4-ой главе.

Глава 5. Рекомендации по назначению оптимальных размеров элементов водобойного колодца с боковым выпуском воды.

Актуальность темы. При возведении речных гидроузлов на горнопредгорных участках рек проектирование и строительство водопропускных сооружений часто бывает осложнено стесненными условиями створа, существенно осложняющими размещение их энергогасящих устройств.

В этих условиях в качестве основного типа энергогасящего устройства используется водобойный колодец, особенно при наличии недостаточно прочных грунтов основания, поскольку гашение энергии с помощью отброса струи на средне- и низконапорных гидроузлах, как правило, оказывается неэффективным. Применение же водобойных колодцев требует наличия достаточного пространства как для размещения водобоя, так и для создания отводящего канала, обеспечивающего переход потока от режима с повышенными пульсационными характеристиками к бытовому режиму в русле реки. Однако, в горных условиях, как правило, этого пространства либо недостаточно, либо оно вовсе отсутствует, в связи с чем появляется необходимость выполнения выемки, имеющей большой объем.

Дальнейшее совершенствование конструкции водосбросов, снижение их стоимости и капиталовложений, а также уменьшение эксплуатационных расходов дает ощутимую экономию материальных и денежных средств, и поэтому проблема гашения энергии в нижних бьефах средне- и высоконапорных гидроузлов остается актуальной.

Кроме того, актуальность исследований определена тем, что многочисленные случаи возникновения опасных размывов русла и аварийных подмывов сооружений, большие объемы ремонтно-восстановительных работ свидетельствуют о том, что используемые до настоящего времени методы расчета сопряжения бьефов в плавно расширяющихся руслах требуют дальнейшего уточнения. Известные конструкций для гашения избыточной энергии потока обладают как достоинствами, так и недостатками, в связи с чем они не являются универсальными и могут быть использованы только для определенного диапазона параметров участка сопряжения. Значительное упрощение задачи выпуска потока в русло может принести использование водобойного колодца с выходом воды в реку через боковую стенку, который является симбиозом водобойного колодца и бокового водослива.

Ввиду сложности гидравлических явлений, происходящих в таком сооружении, разработать методику его расчетного обоснования теоретическим путём достаточно сложно. В то же время выполненные нами расчеты по методике, составленной с рядом допущений, показали принципиальную возможность использования такой конструкции с высокой степенью надежности её работы.

Получение надежных расчетных зависимостей определили необходимость проведения модельных гидравлических исследований работы водобойного колодца с боковым выпуском воды в виду отсутствия экспериментального материала, достаточно детально освещающего работу такой конструкции.

Цель исследования заключается в гидравлическом обосновании рациональной конструкции гасителей энергии для средне- и низконапорных водосбросных сооружений, обеспечивающей эффективность гашения избыточной энергий потока в пределах расширяющегося водобойного колодца при наличии выреза в боковой стенке и глухой торцевой стены.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- экспериментально обосновать возможность использования колодца данной конструкции в практике гидротехнического строительства;

- экспериментально изучить режимы сопряжения потоков в нижнем бьефе для непризматического колодца прямоугольного сечения с вырезом в боковой стенке;

- исследовать кинематическую структуру потока в пределах участка диссипации энергии в случае бокового отвода воды; определить гидравлические характеристики потока в зоне пространственного прыжка;

- изучить распределение гидродинамической нагрузки на боковые и торцевую стенки водобойного колодца; разработать рекомендации по расчетному обоснованию и проектированию рассматриваемых гасителей энергии.

Научная новизна работы состоит в том, что в ее рамках:

- разработана новая конструкция водобойного колодца для средне- и низконапорных водосбросов;

- исследована структура потока в водобойном колодце предлагаемой конструкции при различных режимах работы;

- получены расходные характеристики отверстия в боковой стенке водобойного колодца в зависимости от величины выреза и глубины колодца;

-получены результаты распределения осредненных значений давления на стенки колодца;

- определена кинематическая структура потока на выходе из колодца;

- разработаны рекомендации по методике расчетов водобойного колодца с боковым отводом потока.

Практическая ценность. На оснобе проведенных модельных гидравлических исследований предложено новое техническое решение конструкции водобойного колодца с боковым выпуском воды, позволяющее обосновать оптимальные параметры сопрягающего устройства для водосбросов трубчатого типа, использующих такие водобойные колодцы, и разработаны рекомендации по их гидравлическим расчетам. Предложенная новая конструкция водобойного колодца была использована в проектах гидроузлов Кейнах и Шакра в САР, запроектированных ЗАО ПО «Совинтервод» с участием автора этой работы.

Достоверность результатов. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием современных и тщательно оттарированных приборов, средств регистрации измерений, а также современных методов обработки опытных данных, с многократной повторяемостью результатов исследования.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях МГУП (20022006гг.), на заседаниях кафедры комплексного использования водных ресурсов МГУП (2002-2006гг.).

Публикации. По материалам исследований выполнено 8 публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, насчитывающего 91 наименование. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, иллюстрирована 59 рисунками, содержит 3 таблицы.

4.7. Выводы по 4-ой главе

В результате проведенного анализа существующих методов расчета боковых водосливов и лабораторных исследований водобойного колодца с боковым выпуском воды могут быть сделаны следующие выводы:

- форма свободной поверхности прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском потока описывается уравнением (4.2);

- водослив, расположенный не под прямым углом к оси потока и отводящий воду в сторону или имеющий несимметричный подход, следует рассчитывать как боковой;

- поток из бокового водослива выходит не ортогонально;

- величина максимальной скорости потока по длине гребня водослива увеличивается;

- распределение удельного расхода по длине выреза зависит от его относительной длины.

- форма свободной поверхности воды по длине гребня бокового водослива имеет вид кривой подпора;

- расход бокового водослива определяется по формуле (2.22), где т -коэффициент расхода бокового водослива, определяемый по формуле (4.7);

-.давление на стенки водобойного колодца и порог в стене, через который выполняется выпуск воды, распределяется по гидростатическому закону;

- потери энергии в водобойном колодце с боковым выпуском воды меньше чем в водобойном колодце с прямоосным выпуском (рис. 4.26).

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НАЗНАЧЕНИЮ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОБОЙНОГО КОЛОДЦА С БОКОВЫМ ВЫПУСКОМ ВОДЫ

При гидравлическом расчете водобойного колодца необходимо определить глубину колодца, его длину и ширину бокового выреза. Рекомендуется следующая последовательность расчетов водобойного колодца с боковым отводом потока:

1. При расчете сопряжения потоков в нижнем бьефе при пропуске катастрофического паводка принимается пиковый расчётный расход, учитывающий трансформацию паводка водохранилищем.

2. В зависимости от уклона водовода водосбросного сооружения поток в концевом сечении имеет глубину hb с которой поступает во входное сечение водобойного колодца.

3. Назначается ширина водобойного колодца на выходе В, определяемая максимальным сбросным удельным расходом q.

4. Определяется скорость потока на входе v в водобойном колодце с учетом его растекания в плане при прохождении максимального сбросного расхода:

Г-Ть <5Л)

5. Вторая сопряжённая глубина h" в расширяющемся водобойном колодце определяется из уравнения прыжковой функции для непризматического русла, которое имеет вид: f^4h-f{B + 2-b)-U--h>iB-b) = ±f- + (h'y-(2.B + b) (5.2) у-В-п 2 g-b-h где Q-расход; о g=9.81 м/с - ускорение свободного падения;

ВиЬ - ширина водобойного колодца в конце и в начале; h" и h' -глубины в водобойном колодце в конце и в начале.

6. Проведенными нами исследованиями установлено, что в водобойном колодце с боковым выпуском воды длина вальца гидравлического прыжка практически совпадает с длиной прыжка в прямоосном водобойном колодце в связи, с чем длину колодца можно принимать равной 0,7 - 0,8 длины гидравлического прыжка 1пр, определяемую по одной из известных зависимостей: = 2,5(1,9/^-/0, (5.3) lnp=\03hc(Fr°-5-ir, (5.4)

2-(h"-h'J 10 + 4Ft h"-h' Fr ' [ J где Fr - число Фруда в сжатом сечении.

7. Особенностью конструкции рассматриваемого водобойного колодца является вырез в боковой стенке, через который осуществляется выпуск воды в нижний бьеф как через боковой водослив. Транзитное движение воды в продольном направлении происходит только до торцевой стенки колодца, где произойдёт повышение уровня воды на величину скоростного напора потока в водобойном колодце aVl /2g, где а = 1.4-И.6- по данным замера. При ширине водобойного колодца В и расчётной глубине h" средняя скорость в колодце ук будет: v -JL

Ук - ш . (5.6)

Максимальная глубина колодца hk: aV2 0,5 (5.7)

2g

Высоту стен водобойного колодца принимаем равной hk.

8. Для выпуска воды из водобойного колодца в отводящий канал в его боковой стенке выполняется вырез, примыкающий к торцевой стенке водобойного колодца. При такой конструкции водобойного колодца его боковая стенка с прорезью работает как боковой водослив, уравнение расхода которого имеет вид: где dQ - расход на участке длиной dl\ h - глубина воды в колодце в рассматриваемом сечении, определяется по зависмости (18); р - высота порога бокового водослива со стороны водобойного колодца; т - коэффициент бокового водослива, значение которого определяются по графику (рис. 12).

5.8) р = {<д.5 + Ъ.15)Рпр.в.к.,

5.9) где Рпр.в.к. - высота порога для прямоосного водобойного колодца.

Рпр.в.к. = h"-hs где /гб - бытовая глубина в русле реки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В настоящей диссертационной работе были осуществлены исследования гидравлических условий работы водобойного колодца с боковым выпуском воды. В результате этих исследований получены предложения, внедрение которых в проектную практику позволит усовершенствовать методы проектирования и расчетного обоснования подобных сооружений, повысив экономичность гидроузлов в стесненных горных условиях строительства. Это позволяет нам полагать, что в рамках выполненной нами работы содержатся новые подходы к решению конкретных прикладных задач, связанных с дальнейшим внедрением водобойного колодца с боковым выпуском воды.

На основании выполненных исследований могут быть сформулированы следующие основные выводы.

1. Анализ литературных источников других авторов показал, что существующие конструктивные решения гашения энергии в нижнем бьефе, как правило, рассчитаны на прямоосный отвод воды. В этих условиях возникает потребность в прокладке отводящих каналов, что в условиях горного рельефа местности требует значительных дополнительных капиталовложений.

2. В результате проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований решены все поставленные задачи и достигнута основная цель: даны конкретные предложения по созданию более экономичных конструкций и компоновок концевых участков водосбросов в виде водобойных колодцев с боковым отводом воды.

3. Анализ результатов экспериментов позволяет заключить, что при проектировании энергогасящих устройств водосбросов в нижних бьефах гидроузлов допустимо применение непризматического водобойного колодца при центральных углах расширения стенок 26=14° с боковым выпуском воды.

4. С помощью методов теории подобия и размерностей была запроектирована и построена гидравлическая установка, позволяющая подтвердить полученные теоретические зависимости. Последняя была оснащена традиционной измерительной аппаратурой для регистрации характеристик течения потока воды. В целях оценки достоверности получаемых результатов был выполнен анализ точности проводимых измерений.

5. На основании экспериментов получены значения коэффициента расхода т для определения параметров выреза в колодце с боковым выпуском воды, значения которого можно определить по зависимости (4.7).

6. Для определения геометрических и кинематических параметров гидравлического прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском воды рассматриваемой конструкции проведены исследования при центральном угле расширения стенок 26=14°. Опыты проведены в диапазоне чисел Фруда Fr=36. 78 в сжатом сечении потока.

7. Предложены графические зависимости для определения второй сопряженной глубины прыжка в водобойном колодце с боковым выпуском воды, приведенные на рис. 4.7.

8. В результате исследований кинематики потока в колодце рассматриваемой конструкции при различной высоте порога и длине бокового выреза получено, что:

- поток из бокового водослива выходит не ортогонально;

- величина максимальной скорости потока по длине гребня водослива увеличивается;

- распределение удельного расхода по длине выреза зависит от его относительной длины.

9. Установлено, что давление на стенки водобойного колодца и порог в стене, через который выполняется выпуск воды, распределяется по гидростатическому закону.

10. Установлено, что потери энергии в водобойном колодце с боковым выпуском воды меньше чем в водобойном колодце с прямоосным выпуском (рис. 4.26).

1. Абрамов М.З. Определение сопряженных глубин при гидравлическом прыжке в пространственных условиях. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1940, т.26, с. 43.61.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физмат изд., 1960, 711 с.

3. Аверкиев А.Г. О длине водоворота при одностороннем расширении струи в ограниченном пространстве. Изд. ВНИИГ, Л., 1955, т. 54, с. 27.37.

4. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М.-Л.: Энергия, 1964, 352 с.

5. Александров В. А. Исследование размывающих скоростей для несвязанного грунта на откосах каналов. Труды П-ой Всесоюзной научно-технической конференции. Киев, 1963.

6. Артюхина Т.С. Исследование гидродинамических воздействий на элементы конструкций водобойного колодца низконапорного гидроузла. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1983, т. 162, с. 49.54.

7. Баронин В.В. Методика определения эффективности гасящих устройств при проведении модельных исследований. Русловые процессы и гидравлика сооружений. Калинин. 1980, с. 40.48.

8. Беглярова Э.С. Исследование гидравлического прыжка в плавно расширяющемся прямоугольном русле.: Дисс. канд. техн. наук. М., 1973.

9. Беляшевский Н.Н., Пивовар Н.Г., Калантыренко И.И. Расчеты нижнего бьефа за водосбросными сооружениями на нескальных основаниях. Киев: Наукова Думка, 1973, 292 с.

10. Белоконев Е.Н. Гидравлические исследования трубчатых сооружений рисовых оросительных систем. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. наук. Новочеркасск, НИМИ, 1975, 30 с.

11. Беновицкий Э.Л. Гидравлические исследования решетчатого гасителя энергии высокоскоростных потоков за быстротоками. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М., ВНИИ "Водгео", 1981, 24 с.

12. Богданов Г.Г. Определение длины гидравлического прыжка. Гидротехническое строительство, № 4, 1962, с. 42.44.

13. Бойко И.М. Определение оптимальных размеров водобойного колодца. Известия вузов СССР. Строительство и архитектура. 1977, № 5, с.94.,.97.

14. Васильев О.Ф. Гидравлический прыжок и растекание потока в расширяющемся русле. Доклады АН СССР. 1956, т. 106, № 5, с. 797-800.

15. Васильев О.Ф., Букреев В.И. Некоторые результаты исследования пульсаций давления в гидравлическом прыжке. Труды Гидропроекта. 1966, сб.13, с. 172.177.

16. Великанов М.Л. Динамика русловых процессов. М.: Гостехиздат, 1955, 324 с.

17. Вызго М.С. Об исследованиях длины совершенного незатопленного гидравлического прыжка. Гидротехническое строительство. М., 1965, № 8, с. 69.72.

18. Гришанин К.В. Пульсация давления на дне потока при сопряжении бьефов по типу донного затопленного прыжка. Известия вузов. Строительство и архитектура. 1968, № 7.

19. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. М.: Высшая школа, 1979, ч. 1,615 с.

20. Гунько Ф.Г. Сопряжение бьефов при наличии гасителей энергии в виде сплошной и прорезной стенок и гасителя-растекателя Д.И. Кумина. Известия ВНИИГ им. Веденеева. Л., 1964, т. 74.

21. Гунько Ф.Г. Материалы по гидравлическим расчетам нижних бьефов водосливных бетонных и железобетонных плотин, возводимых на нескальных основаниях. Л.: ВНИИГ им. Веденеева, 1966,106 с.

22. Гунько Ф.Г. Экспериментальные характеристики основных форм сопряжения бьефов в пространственных условиях при донном режиме течения на гладком водобое. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1956, т.55, С.156.175.

23. Гунько Ф.Г. Классификация форм сопряжения бьефов в пространственных условиях для случаев плотин с уступом при гладком водобое и без уступа при наличии водобойной стенки. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1962, т.71, С.39.59.

24. Данильчук В.Н. Определение затопленной глубины при сопряжении бьефов в пространственных условиях. Строительство и архитектура, 1983, № 1, с. 100. .103.

25. Емцев Б.Т. Двухмерные бурные потоки. М.: Энергия, 1967, 212 с.

26. Животовский Б.А. Гидравлика закрученных потоков и их применение в гидротехнике. Автореф. дисс. доктора техн. наук. М., 1985.

27. Замарин Е.А. Проектирование гидротехнических сооружений. М.: Колос, 1965.

28. Иванов В.Л. Гашение энергии при сопряжении бьефов средне- и низконапорными водосбросными сооружениями на расширяющемся в плане водобое. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Л.: Энергоатомиздат, 1985, с. 226.229.

29. Иванков М.Т. Некоторые результаты исследования турбулентного потока в нижнем бьефе гидротехнических сооружений. Известия вузов СССР. Строительство и архитектура. М., 1980, № 9, с. 89.92.

30. Игнатенко Ф.И. Прыжковое сопряжение бьефов с предварительным растеканием потоков. Труды НИМИ. 1964, т. IX.

31. Игнатенко Ф.И. Расчетные зависимости для определения размеров гидравлического прыжка в расширяющемся прямоугольном русле. Известия вузов. Строительство и архитектура. 1967, № 5.

32. Игнатенко Ф.И. О длине гидравлического прыжка в расширяющемся прямоугольном русле. Известия вузов. Строительство и архитектура. 1968, №

33. Игнатенко Ф.И. Расчетные зависимости для определения размеров гидравлического прыжка в расширяющемся прямоугольном русле. Изв. Вузов. Строительство и архитектура. Новосибирск, 1967, № 5, с.141.,.144.

34. Иноземцев А.С. Линейные размеры гидравлического прыжка в расширяющихся руслах с прямоугольными и трапецеидальными поперечными сечениями и жестким горизонтальным дном. Научные труды Омского сельхозинститута. 1965, т. 57.

35. Ковалев Я.Т. О сопряжении струи при внезапном расширении открытого русла. Ирригация и гидротехника. Ташкент, 1939, № 8.

36. Кавешников Н.Т. Исследование устройств нижнего бьефа трубчатых сооружений и местных размывов за ними. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1974.

37. Козырь И.Е. Сопряжение бурного потока со спокойным при внезапном главном расширении русла в условиях сбойного течения. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М., МГМИ, 1984, 178 с.

38. Крупнов Н.В. Гидродинамические воздействия потока на гасители энергии и борьба со сбойными течениями в нижнем бьефе плотин низкого и среднего напора. Дисс. канд. текн. наук. М., 1984.

39. Кумин Д.И. Сопряжение глубины гидравлического прыжка в пространственных условиях. Гидротехническое строительство, 1950, № 2.

40. Кумин Д.И. Пульсация давления при сопряжении бьефов и ее связь с пульсацией скорости. Известия ВНИИГ. 1959, т. 62, с. 57.75.

41. Кумин Д.И. Поверхностный водоворот гидравлического прыжка и гашение энергии. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1949, т.40, С.89.104.

42. Кузнецов С.К. Теория и гидравлические расчеты нижнего бьефа. Львов: Вища школа: Изд-во при Львовском университете, 1983,176 с.

43. Леви И.И. Сбойность течения и глубина размыва русла за рисбермой гидротехнических сооружений. Известия ВНИИГ. М.-Л., 1963, т. 73, с. 3.25.

44. Линчевский И.П. Влияние ширины нижнего бьефа на сопряжение бьефов. М.-Л., 1934.

45. Липатов К.Г., Лабораторные испытания сбросного сооружения Ульбинской ГЭС, «Труды Института гидротехники и мелиорации», т. XIII, Сельхозгиз, 1935.

46. Лятхер В.М. Турбулентность в гидросооружениях. М.: Энергия, 1968.

47. Маслов А.Б. Гидродинамическое воздействие потока на гасители. Дисс. канд. техн. наук. М., 1982.

48. Машкович Л.А. Гашение энергии и регулирование форм потока при сопряжении бьефов гидравлическим прыжком.: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Ташкент, 1957.

49. Мелещенко И.Т. Плановая задача гидравлики открытых водотоков. Известия НИИ гидротехники. 1948, т. 36, с.З. .30.

50. Милович А.Я., Теория расчета и конструкции водоспуска гидроэлектростанции на р. Аджарис-Цхали близ г. Батуми, гостехиздат, М., 1930

51. Михалев М.А. Расчет второй сопряженной глубины в пространственных условиях сопряжения бьефов. Гидротехническое строительство. 1965, № 8, с. 60. .63.

52. Михалев М.А. К теории донного гидравлического прыжка на шероховатом водобое. Известия ВНИИГ. Л., 1970, т. 92, с. 223.233.

53. Ненько Я.М. Одвижении жидкости с переменной вдоль потока массой. Сборник трудов за 1937г., Харьковский гидрометеорологический институт, 1938.

54. Ненько Я.М. Теория бокового водослива. Гидравлика и конструкция, сборник научных трудов. Харьковский гидрометеорологический институт, 1935.

55. Павловский Н.Н., О новых работах по гидравлике, очерк первый, «Известия Научно-мелиоративного института Народного Комиссариата земледелия», вып 8-9, 1924.

56. Пашков Н.Н. Расчет гасителей шашечного типа за трубчатыми водосбросами. ТрудыМИСИим. Куйбышева. М., 1958, сб. 24, С.65.90.

57. Пикалов Ф.И. О форме сопряжения быстротока с нижним бьефом. Труды Института гидротехники и мелиорации. 1965, т XII.

58. Проворова Т.П. О размерах гидравлического прыжка в водобойных колодцах с водобойной стенкой. Известия ВНИИГ. Л., 1965, т.19, С.240.257.

59. Проворова Т.П. Режимы гидравлического прыжка в водобойных колодцах с водобойной стенкой. Известия ВНИИГ. Л., 1965, т.77, С.215.233.

60. Проворова Т.П., Войнович А.П., Наймарк Л.И. Гашение энергии в нижних бьефах сооружений в случае водобойных стенок и водобойных колодцев при больших удельных расходах воды. Известия ВНИИГ. Л., 1981, т.145, с.93.,.99.

61. Проворова Т.П. О методах расчета водобойной стенки с расположенным ниже ее водобойным колодцем. Известия ВНИИГ. Л., 1966, т.82, С.51.65.

62. Преображенский Н.А. Пульсация давления на дне потока при сопряжении бьефов и расчет толщины крепления русла в нижнем бьефе. Известия ВНИИГ. Л., 1961, т.46, с. 129. 140.

63. Рахманов А.Н. Размывающая способность потока ниже водобойных зубьев. Известия ВНИИГ. Л., 1962, т.70, с:3.20.

64. Рахманова А.Л. Исследование долговечности высоконапорных плоских затворов. Дисс. канд. техн. наук. М., 1972.

65. Рахманов А.Н. Очертание поверхностного водоворота и транзитного потока и некоторые скоростные характеристики донного гидравлического прыжка. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, JL, 1958, т.59, С.30.61.

66. Рахманов А.Н. О размерах гидравлического прыжка при наличии водобойной стенки. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л., 1961, т.67, С.3.27.

67. Рахманов А.Н. О протяженности водоворотного участка расширяющегося спокойного потока в гладких и шероховатых руслах по измерениях на крупномасштабных моделях. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, Л, 1974, т.106, С.15.27.

68. Розанов Н.П. Устройства нижнего бьефа водосбросов. М.: «Колос», 1984.

69. Руднев С.С. Боковые водосливы, Госэнергоиздат, 1941 (НКЭС СССР Главгидроэнергострой).

70. Саваренский А.Д. Гасители энергии и крепление русел за плотинами. М., 1938.

71. Скиба М.М. Гидравлика сопряжения бьефов. Автореф. дисс. докт. техн. наук. 1960.

72. Соколов Д.Я., Боковой отвод воды, Труды САНИИРИ, вып. 3, 1932.

73. Соколов Д.Я., О боковом отводе воды, «Социалистическое водопользование» №1,1931.

74. Соколов Д.Я., Водозаборное устройство для гидроэлектростанций и ирригаций, ОНТИ, М.-Л. 1937.

75. Справочник, Мелиорация и водное хозяйство. № 4. Сооружения. Под ред. П.А. Полад-Заде. М.: Агропромиздат, 1987, 251 с.

76. Идельчик И.А. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.

77. Справочное пособие. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. М.: Энергоатомиздат, 1988.

78. Фрост У., Моулден Т. Турбулентность, принципы и применение. М.: Мир, 1980, ч.1,527 с.

79. Чертоусов М.Д. Гидравлика. Специальный курс. 1962.

80. Черных О.Н. Исследование устойчивости элементов крепления нижнего бьефа трубчатых водопропускных сооружений. Дисс. канд. техн. наук. М.

81. Чехонадских B.C. Исследование применения гасителей энергии для борьбы со сбойными течениями за четырехпролетной низконапорной плотиной при маневрировании затворами. Труды МГМИ. М., 1979, т.62, с. 40.48.

82. Чехунов В.И. Сопряжение быстротока с нижним бьефом при помощи воронки. Известия вузов. Строительство и архитектура. 1958, № 8.

83. Чугаев P.P. Гидротехнические сооружения. Водосливные плотины. М.: Высшая школа, 1978, 352 с.

84. Шеренков И.А. Прикладные плановые задачи гидравлики спокойных потоков. М.: Энергия, 1978, 240 с.

85. Эленсон Г.З., Гурьев А.П., Бакеев С.А. Устройства для гашения энергии потока водосбросного сооружения. Авт. свид. 1262000 ССР Е 02 В 8/06. Опубл. 07.10.86, Бюл. № 37, 88 с.

86. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Колос, 2004.

87. Цветков П.К. Исследование поверхностного режима за донным порогом, установленным на водобое плотин. Известия Института гидрологии и гидротехники АН УССР. Киев, 1955, т. 12, с.78-97.

88. Цветков П.К. К расчету гидравлического прыжка в расширяющемся русле. Известия Института ГиМ АН УССР. Киев, 1953, т.9.

89. Цветков П.К. Гидравлический расчет расширяющегося в плане водобойного колодца. Гидротехническое строительство.

90. Цедров Г.Н. Кавитация на гидросооружениях. М.: Энергия, 1977.

91. Якушкина О.И. К выбору отметки заложения верха водобойной плиты с учетом пространственных условий сопряжения бьефов. Труды Ленинградского политехнического института. Л., 1973, № 333, с.115.