автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Истечение водогрунтовой смеси через днищевые люки бункеров-отстойников

Предисловие

Введение

Глава 1. Отстойники деривационных ГЭС

1.1. Гидроэнергетика Непала.

1.2. Горизонтальные отстойники гидроузлов.

1.3. Отстойники с вертикальной промывкой

1.4. Определение размеров отстойника.

1.5. Проблема наносов в водном хозяйстве Непала.

1.6. Выводы.

Глава 2. Исследование истечения водогрунтовой смеси на физической модели отстойника

2.1 Установка для исследования истечения водогрунтовой смеси.

2.2 Материалы для исследований

2.3 Оценка качества истечения водогрунтовой смеси

2.4 Давление водогрунтовой смеси на клапан отверстия

2.5. Скорость истечения водогрунтовой смеси из сосуда.

2.6 Изменение содержания песка в водогрунтовой смеси при ее истечении

2.7 Влияние объема воды на степень промывки песка в сосуде .••■•■.

2.8 Исследование "оплывания" водогрунтовой смеси на наклонной плоскости

2.9. Выводы

Глава 3. Исследование фильтрационного режима в отстойнике и расчет истечения водогрунтовой смеси

3.1 Основные положения при моделировании фильтрационного режима

3.2 Результаты исследований на ЭГДА

3.3. Результаты теоретических исследований и их сопоставление с методом ЭГДА

3.4 Сводообразование над отверстием отстойника.

3.5 Расчет истечения водогрунтовой смеси из сосуда

3.6 Определение давления в отверстии сосуда.

3.7 Поверочный расчет давления на клапан

3.8 Вывод формулы скорости истечения водогрунтовой смеси.

3.9 Выводы.-.

Глава 4. Проектирование отстойников

4.1. Проект гидроузла Калигандаки - А.

4.2. Проект отстойника новой конструкции на гидроузле Калигандаки-А.

4.3. Оборудование отстойника.

4.4. Проектные предложения по использованию отстойников

4.5. Выводы

Выводы.

В воднотранспортных и гидротехнических сооружениях имеется немного систем, где происходит процесс осаждения песка из транспортируемой водо-грунтовой смеси. Этот технологический процесс является основным в отстойниках гидростанций и гидромелиоративных систем, в технологических схемах разработки, транспортировки и перегрузки песка, добыча которого производится средствами гидромеханизации на реках и водоемах.

Удаление осажденных в отстойниках наносов путем истечения через донные отверстия является наиболее эффективным технологическим процессом.

Исследованию данного процесса и посвящена настоящая работа.

Автор, являясь представителем королевства Непал, прежде всего предназначал данные исследования для отстойников гидростанций, сооружаемых на реках Непала. Однако, учитывая широкое применение транспортных схем с отстойниками, автор надеется на использование данных результатов на объектах водного транспорта, в том числе при выполнении дноуглубительных работ на водных путях.

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и конструкций под научным руководством заведующего кафедрой, доктора технических наук, профессора Колосова Михаила Александровича. 6

ВВЕДЕНИЕ

Гидротехническое строительство на горных реках Непала ведется посредством возведения деривационных ГЭС с малыми объемами водохранилищ, длинной туннельной деривацией и высокими напорами на турбины. Вода рек Непала характерна большими объемами взвешенных наносов, количество которых в период дождевых паводков доходит до 10 и более килограмм на 1 м3 воды. Для защиты рабочих колес турбин от абразивного износа перед напорной деривацией устраиваются отстойники. Существующие типы горизонтальных многокамерных отстойников требуют широких площадок на местности, что довольно сложно обеспечить в горных условиях Непала. Кроме того, все известные типы отстойников требуют периодических промывок, при этом вода после промывки снова поступает в реку, взмучивая поток.

Задачей настоящей работы был выбор и исследование такого типа отстойника, который бы компоновался в условиях горного рельефа, а эвакуация отложившихся в камере наносов производилась без осушения камер.

В качестве такого отстойника использовано изобретение "Причал для разгрузки сыпучих грузов" (авт.св. СССР № 718532, 7 автор Колосов М.А. Опубликовано в»"Бюллетене изобретений", № 8, 1980 г).

Идея такого отстойника заключается в том, что отложившиеся в камерах наносы удаляются через днищевые люки.

Цель настоящего исследования состояла в том, чтобы изучить характер истечения водогрунтовой смеси через днищевой люк, определить скорость истечения и давление ее на затвор.

Следует отметить, что результаты исследований могут быть использованы в транспортных схемах песка и водогрунтовой смеси, когда, например, необходимо производить сгущение смеси.

Методы исследований. Для решения поставленной задачи проведены опыты с водогрунтовой смесью на малых моделях и на большой модели-сосуде, а фильтрационный режим в массиве водогрунтовой сйеси исследовался на установке ЭГДА.

Научная новизна работы заключается в полученных результатах, а именно, в определении характера истечения водогрунтовой смеси,'как тяжелой жидкости, в оценке давления ее на клапан, как жидкости и как сыпучего материала, в получении косвенных данных о снижении эффекта сводообразования в отверстии из-за действия фильтрационных (гидродинамических) сил. 8

Личный вклад автора заключается в постановке задачи, проектировании и изготовлении модели, проведении опытов, анализе их результатов, формулировке научных положений и основных выводов.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты исследований могут быть использованы при проектировании отстойников, сгустительей пульпы, высокопроизводительных складов сыпучих материалов (песка), добываемых гидромеханизированным способом, а также в технологических схемах производства намывных сооружений и добычи полезных ископаемых.

Достоверность научных положений и основных выводов подтверждается экспериментальной проверкой в лабораторных условиях, сопоставлением полученных результатов исследований с наблюдениями за истечением жидкости и сыпучих материалов. На защиту выносятся следующие положения:

- анализ и обоснование типа отстойника для деривационных ГЭС на реках Непала;

- результаты лабораторных исследований истечения водогрунтовой смеси и их анализ;

- эмпирическая зависимость для определения скорости истечения водогрунтовой смеси; 9

- рабочая гипотеза, подтвержденная исследованиями, о снижении сводообразования в отверстии сосуда из-за воздействия фильтрационных (гидродинамических) сил.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на двух Всероссийских научно-педагогических конференциях Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций (1996, 1998 гг), а также на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых Санкт-Петербургского Государственного архитектурно-строительного университета (1997 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано две работы.

Объем работы. Диссертация изложена на 174 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 65 наименований. По тексту работы приведено 74 рисунков, 23 таблиц и приложение.

1ЫВОДЫ Анализ условий горных рек Непала показал, что для всех дерива-[ионных ГЭС необходимо устройство отстойников, перехватываю-дих поток наносов и защищающих турбины ГЭС от абразивного из-оса. Известные типы отстойников мало приемлемы для горных ус-овий гидроузлов Непала. В качестве отстойника рекомендовано ешение по авт. св. СССР № 8532 "Причал для сыпучих грузов", онструкция которого обеспечивает непрерывную эвакуацию отложившихся в камерах наносов. Лабораторные исследования подтвердили возможность эвакуации аносов из отстойников через днищевые отверстия. Установлено, то истечение водогрунтовой смеси происходит быстрее, чем сыпу-их грузов и медленнее, чем воды, при этом скорость истечения за-исит от высоты загрузки сосуда. Давление водогрунтовой смеси на клапан отверстия возрастает ри увеличении высоты загрузки сосуда до объема 3000 см*(/г = 13 м). При дальнейшем загружении сосуда давление на клапан меньшается почти в 2 раза и сохраняется постоянным при даль-ейшей загрузке. По истечении водогрунтовой смеси из сосуда концентрация грун-а в смеси не остается постоянной. В начальный период истечения

1&Б I содержание песка составляет 70.90%, а затем уменьшается. Уменьшение концентрации песка обусловлено тем, что над отверстием в грунте образуется воронка, в которую устремляется поток воды вовлекающий грунт, при этом происходит увеличение содержания воды в составе смеси. Установлено, что наибольшее поступление воды наблюдается при больших размерах отверстий.

5. По окончании истечения из сосуда водогрунтовой смеси на наклонных стенках днища остается часть песка, что обусловлено трением его о стенки. Опытным путем установлено, что величина трения водогрунтовой смеси о стенки превышает внутреннее трение в 1,5.2 раза.

6. В результате наблюдений установлено, что при малой ширине отверстия наблюдается "зависание" массива грунта в отстойнике, что обусловлено образованием свода в отверстии. Разрушение свода происходит через некоторый интервал времени. Выдвинута гипотеза, что разрушению свода способствуют фильтрационные (гидродинамические) силы. Опыты на ЭГДА по исследованию фильтрационного режима в массиве конусного отстойника и расчетный анализ на основе решения уравнения Лопласа, показали наличие в отверстии больших выходных градиентов, что является косвенным подтверждением воздействия гидродинамических сил на разрушение свода.

16 в t

7. Расчетный анализ по определению скорости истечения и давления на клапан с использованием теории напряженного состояния сыпучих тел показал расхождение с опытными данными. В связи с этим для определения скорости истечения предложена эмпирическая степенная зависимость. Опытные параметры для зависимости определены по результатам обработки экспериментальных данных.

8. Опытное проектирование отстойников на строящихся гидроузлах рек Непала, показало, что предложенная конструкция отстойника хорошо компонуется на крутых скальных склонах нижнего бьефа гидроузлов. Размещение камер отстойников, конусных бункеров, транспортных штолен и путей, а также площадки для складирования грунта не встречает каких-либо препятствий. Использование отстойника позволит сохранить чистоту водотока в нижнем бьефе и создаст резервы строительного материала (песка).

9. Установлена возможность использования отстойников с эвакуа-ций наносов через донные отверстия для гидромеханизированных систем добычи и сортировки песка, получения чистых глинистых растворов, используемых для буровых работ, в схемах "отмывки" полезных ископаемых при гидромеханизированной добыче, в схемах намыва полезных насыпей (дорог, плотин) из качественного грунтового материала.

1. Алтунин С.Т. Регулирование русел. М., Сельхозгиз, 1956.

2. Бахтин Б.М., Корюкин С.Н. Гидротехнические сооружения. М., Агропромиздат, 1991.

3. Будац Б. М., Самарский A.A., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. Издательство "Наука". Главная редакция физико-технической литературы. М., 1972.

4. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. М., Гостехйздат, 1955, Т.Н.

5. Владимиров B.C., Михайлов В.П. и др. Сборник задач по математической физике. Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. М., 1974.

6. Гвелесиани Л.Г., Шмальцель Н.П. Опыт эксплуатации горных водохранилищ. "Гидротехническое строительство", 1955, № 5.

7. Гвелесиани Л.Г., Шмальцель Н.П. Горные водохранилища гидроэлектростанций. Известия ТНИСГЭИ, 1964, т. 15.

8. Гвелесиани Л.Г., Шмальцель Н.П. Опыт эксплуатации Ладжанур-ской ГЭС. "Гидротехническое строительство", 1966, № 10.

9. Гегелия Т.Г. Опыт проектирования и строительства водохрани-лищных плотин в Грузии. НТОЭП Грузии, Тбилиси, 1963.

10. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Гидрометеоиздат, 1962.

11. Гончаров В.Н. Движение нaнoqoв в равномерном потоке. Гидро-метеоиздат, 1960.

12. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика // под ред. проф. В.П. Недриги. М., Стройиздат, 1983.

13. Гидроэлектрические станции. Изд. 3-е // под ред. д.т.н., проф. В.Я.Карелина и Г.И. Кривченко. М., Энергоатомиздат, 1987.

14. Гришанин К.В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. С-Петербург, Гидрометеоиздат, 1992.

15. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. Часть I. М., 1979.

16. Данелия Н.Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными наносами. М., Колос, 1964.

17. Движение двухфазной жидкости. Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 36, Л., "Энергия", 1967.

18. Демура М.А. Горизонтальные отстойники. Киев, Буд1вельник, 1968.

19. Де Уист Р. Гидрология с основами гидрологии суши ( пер. с англ.) "Мир" , М. т. 1, 1969. Т.2. 1970.

20. Егиазаров И.В. Наука о движении наносов, сопредельные науки и возможности экспериментирования. Сб. "Проблемы использования водных ресурсов". Изд-во АН СССР, 1960.

21. Егиазаров И.В. Движение неоднородной по крупности смеси наносов, извести Изд-во АН Армянской ССР, Серия техн. Наук,16.3т. 16, Ереван, 1963. * ■

22. Зенков Р.Л. Механика насыпных грузов, Машгиз, М., 1952.

23. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. " Высшая школа", М., 1991.

24. Ибад-Заде, Нуриев Ч.Г. Отстойники речных водозаборов, М., Стройиздат, 1979.

25. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. "Наука". М., 1971.

26. Канцуров В.Н., Кумскова Н.Г. Занесение заиление головных отстойников мелиоративных систем, Благовещинск, 1990.

27. Караушев А. В. Проблема динамики естественных водных потоков, Гидрометиоиздат, 1960.

28. Корн Г., Корн Н. Справочник по математике для научных работников и инженеров. "Наука". М., 1973. 831 с.

29. Леви И. И. Заиление водохранилищ, сооружаемых на реках, переносящих мелкую взвесь, Известия ВНИИГ, 1960, т. 65.

30. Леви И.И. Динамика русловых потоков, Госэнергоиздат, 1957.

31. Лопатин И.И. Наносы рек СССР, 1952.

32. Мирцхували Ц.Е. Размывающие и допускаемые скорости водного потока для связных грунтов, Тбилиси, 1960.

33. Мостков М.А. Очерк теории руслового потока, 1959.

34. Мухамедов A.M. Исследование верхнего бьефа гидроузла на предгорном участке реки, "Вопросы гидротехники", Изд-во Наука, Узб. ССР, вып.24 и27, 1965.

35. Мухамедов A.M. Общие указания и рекомендации по промыву наносов на гидроузлах, "Вопросы гидротехники", Изд-во Наука, Узб. ССР, вып. 10, 1962.

36. Мухамеджанов Ф.Ш. Расчет промывки бьефов и отстойников, "Гидротехника и мелиорация", 1966, № 2.

37. Объединенное координационное совещание по вопросам проектирования строительства, эксплуатации и исследований водозаборов из рек, водохранилищ и морей, Тезисы докладов, Гипроводхоз, 1966.

38. Павловский H.H. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные положения. Собр. Соч., т.2. М-Л., АН СССР, 1956. 753 с.

39. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. "Наука", М., 1977.

40. Русловые процессы, Сборник статей, изд-во АН СССР, 1985.

41. Тезисы докладов III Всесоюзного гидротехнического съезда, Секция русловых процессов, Гидрометеоиздат, 1957.

42. Тихонов А.Н. Самарский A.A. Уравнения математической физики. Издательство "Наука" . Главная редакция физико-технческой литературы. М., 1972, 735 с.

43. Седов Л.И. Механика сплошном Среды. Том 1."Наука", М., 1973.

44. Седов Л.И. Механика сплошной Среды. Том II."Наука", М., 1973

45. Смирнов В.И. Курсы высшей математики. Том П."Наука", М., 1974.

46. Соколов Д.Я. Отстойные бассейны для ирригации и гидростанций, М, Сельхозиздат, 1945.

47. Хачатрян А.Г. Отстойники на оросительных системах, М, Сельхозиздат, 1957.

48. Хачатрян А.Г. Заиление и промыв ирригационных отстойников и водохранилищ, М., "Колос", 1966.

49. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон. М., Стройиздат, 1981.

50. Христианович С.А. Движение грунтовых вод, не следующее закону Дарси. ПММ4, № 1.

51. Чугаев P.P. Гидротехнические сооружения, часть II Водосливные плотины, М., Агропромиздат, 1985.

52. Фильчаков П.Ф., Панчишин В.И. Интегратор ЭГДА, моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев, АН УССР, 1961. 171 с.

53. Флексер Я.Н. Эксплуатация гидросиловых установок, Госэнерго-издат, 1954.

54. Флексер Я.Н. Из опыта эксплуатации гидроэлектростанций Северного Кавказа, Госэнергоиэдат, 1958.172

55. Флорин В.А. Основы механику грунтов. Госстройиздат, M-JI., 1959,357 с.

56. Шамов Г.И. Речные наносы, Гидрометеоиздат, 1954.

57. Шкундин Б.М. Гидромеханизация в энергетическом строительстве, М, Энергоатомиздат, 1986.

58. Под ред. Юфина А.П. Движение наносов и гидравлический транспорт, Госэнергоиздат, 1963.

59. Ягодин Н.Н. Опыт эксплуатации сооружений деривационных ГЭС, Госэнергоиздат, 1955.

60. Ягодин Н.Н. Заиление верхнего бьефа и эксплуатация головных гидроузлов, "Гидротехническое строительство", 1955, № 8.

61. Detail final report of Marsyangdi Hydropower project Nepal, 1991.

62. Detail final report of Kulekhani Hydropower project-II Nepal, 1991.

63. Jhimruc power development Feasibiliti study, final report, Nepal, July, 1987.

64. Manul on River Behaviour, Control and training. Dr. D.V. Joglgkar, New Delhi, 1971.

65. Detail final report of Kali Gandaki "A" Hydroelectric project Nepal, 1997.

66. САюз Советских Социалистических Республик1. Государственный комитет

67. СССР по делам изобретений н открытий--1131. ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

68. К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

69. Дополнительное к лиг. спид-ну

70. Заявлено 18.08.71 (21) I(¡«3566/29-15 с присоединением заявки № —23. Приоритет —

71. Опубликовано 28.02.80. Бюллетень № 8 (45) Дата опубликовании описания 28.02.801. СП71853251. М. Кл.21. Е 02 В 3/2053. УДК 629.123.5 (088.8)72. Авторизобретения и71. заявитель1. М. А. Колосов

72. ПРИЧАЛ ДЛЯ РАЗГРУЗКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ1

73. Изобретение предназначено для разгрузки песка, гравия и других сыпучих материалов, добываемых в большом объеме методами гидромеханизации со дна водоемов и транспортируемых к берегу шаландами пли саморазгружающимися плашкоутами.

74. Известны причалы для разгрузки сыпучих материалов, содержащие швартовые стенки, подводные бункеры и транспортирующие механизмы 1.

75. Однако в указанных устройствах материал поступает на транспортирующие механизмы с большим содержанием воды.

76. Цель изобретения — уменьшение содержания воды в разгружаемом материале.

77. На фиг. .1 показан причал с двумя причальными стенками в плане; на фиг. 2 —-то же, разрез А—А на фиг. 1; па фиг. 3 -причал с одной причальной стенкой, общий вид; на фиг. 4 — то же, разрез Б—15 на фиг. 3.