автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Кавитационная безопасность гидротехнических сооружений

м

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи УДК 620.193.16

ВОРОБЬЕВ

Геннадий Афанасьевич

КАВИТАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ 05.23.07. Гидротехнические сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1989

Работа выполнена в Л\осковском ордена Трудового Красного Знамени ннженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Б. Т. Емцев,

профессор, доктор технических наук Г. И. Кривченко,

профессор, доктор технических наук В. Ф. Чебаевский.

Ведущая организация — ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

Защита состоится « . . . ».......198 г. в . . . час.

на заседании специализированного Совета Д053.11.04 при МИСИ им. В. В. Куйбышева по адресу: Москва, Спартаковская ул., 2, в ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, МИСИ, Ученый совет.

Автореферат разослан « . . . * .... 19 г.

А": . . . .

Ученый секретарь специализированного совета

Н. Н. Аршеневский

I«- ' .!

; 1 ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

V . . 1 I ■

, Актуальность проблемы. Обеспечение кавитационноД безопасиос-га иодойрЬводягрсс сооругениЯ продолжает оставаться актуальной проблемой гидротехники. В последнее десятилетие серьезные кавита-цвонныз позреадения произогни на гидроузлах Зенг Мен и За Хи в КНР, Двортак и Лкбби в США, Г^ри в Венесуэле, Кебал в Турции, Тарбвла в Паккстеле, Саяно-Щушенскои в СССР и др. Характерно, что ни частота, ни тягесть этих повреддениЯ не уменьшились по сравне-кга с прздццдазд периодом. Это связано, во-первых, с теи, что во всей каре сохраняется устойчивая тенденция к строительству гидроузлов с ушлсалышма параметрами, а во-вторых, с теи, что до недавнего времени достигнуты!) уровень знания не позволял создать надезнуп методику прогноза кавитацискноЯ эрозии.

На регение указанной проблемы были направлены усилия и цели координационных танов Государственного комитета СССР по науке и теяше 0.01.284 (1971-75 гг.), 0.01.05 (1976-80 гг.), 0.55.08 (1981-85 гг.).

В связи с отсутствием надежных методов прогноза поведения сооружения при возможности возникновения на ней кавитации, гидротехника синуадсна придерживаться прекыезественно принципа недопущения начала каватации. Ьюгочпсленние примеры тязелых по последствиям поврездеыай водосбросов в разных странах как будто под-тверздиэт тезис о той, что в случав возникновения кавитации, соо-руаеняэ выходит из-под гепенерного контроля и нихаких гарантий в отнеггюот его даяьнеЯсеЯ безопасности давать уяе нельзя. В этих услов'.гях учет явяеппя кавитсции сводится к расчету, позволяющему определить, возникает идл кот раз риз сплстостн потока при опреде-легаггх гидравлических условиях.

На сгака деле поведение сооруяення при кавитация не соответ-

ствует этой упрощенной схеме. Водосброс может работать к без ви-дидос повреждений в течение некоторого интервала времени, называемого инкубационным периодом. Последующее развитие показателей кавитационного повреждения сначала носит линейный характер и протекает сравнительно медленно, и только в поел едущем резко ускоряется, следуя экспоненциальному закону.

Запрещая работу сооружения в инкубационный период, а также в период развития местных повреждений, не влиляпцих на его експлуа-тационные характеристики, мы вынуждены ужесточать сверх всяких разумных пределов требования к качеству технологии строительства, увеличивать габариты*, усложнять очертания отдельных его влементов. В связи с отсутствием методики по прогнозу навигационных повреждений нет возможности произвести количественную оценку еффективноо-ти альтернативных противокавитациокных мероприятий и, следовательно, обосновать рациональную техническую поливду в борьбе с вредными воздействиями кавитации на гидросооружения.

Во многих Случаях условие полного недопущения кавитации в проточном тракте практически невозможно обеспечить. Например, при. напорах на водосливных плотинах свыое 60+80 м для этого требуется, чтобы допустимые размеры неровностей поверхности не превшалх 2+4 мм, а при обтекании элементов камер затворов и их уплотнений возникновения кавитации не удается избежать уже при скоростях с вше 25*30 м/с.

Успехи, достигнутые на основе выполненных в напей стране теоретических и експериментальных исследований рассматриваемой проблемы позволили впервые отразить в нормативных документах возможность работы водосбросов в пределах инкубационного периода. Однако в этих предложениях зависимость инкубационного триода от определяющих факторов принята без должного экспериментального обоси о-

вания в не учитывав* влияние некоторых важных факторов, таких, например, как стадия кавитации, форма и масштаб возбудителя кавитации, а главное, не апробирована на материале натурных наблюде-■ кий. .

Дальнейпий прогресс в ревении задачи защиты гидросооружений от кавитации очевидно связен не столько с совераенствованием методики прогноза начала кавитации, сколько с разработкой методов обеспечения надежности конструкции при работе ее в условиях, когда возникновение кавитации возможно.

При этом необходимо создать надежные, апробированные по ре-эультатаы'натурных исследований методы количественного учета влияния на кавитацноннуп эрозию гидравлических характеристик потока, качества поверхности и материала защитных облицовок, аэрации и других активных методов подавления эрозии.

Широкие возможности в борьбе с кавитационной эрозией открывается в связи с исследованиями новых строительных материалов, обладающих высокой кавитацисклой износостойкостьо и, в частности, различных модкфгяаций бетонов о добавками или на основе полимерных вязуцкх.

* Качественно новый уровень в изучении такой сложной темы ках кавитация может быть обеспечен при условии использования современных научных методов: математического планирования эксперимента, факторного анализа, оптимизации, математической статистики и др.

Пели н задачи диссертационной работы. В свете вызеизложенно-го целью диссертационной работы является создание методики обеспечения каеитацяоиной безопасности водопроводящих сооружений. Под каватациоиной безойасностьэ подразумевается отсутствие начала кавитации, отсутствие эрозии или неприсшение некоторых предельно допустимых показателей эрозии.'

Дш достижения этой цели поставлены задачи исследований:

- разработать физическую и математическую модель навигационного износа бетона, как процесса усталостного разрушения;

- используя предлагаемую модель, выполнить анализ имеющихся результатов лабораторных и натурных исследований по изучению влияния определяющих факторов на эрозию и получить систему уравнений, описывающих зависимость инкубационного периода, объема, гду-бикы и площади эрозии от определяющих факторов (скорости потока, стадии кавитации, формы и размера возбудителя кавитации, концентрации примешанного воздуха, вида материала защитной облицовки и времени);

' * ' • с

- разработать шкалу кавитационной износостойкости строительных материалов при некоторых стандартных хавитацяонных воздействиях;

- разработать методику оптимизации состава бетона с повышенной кавитационной стойкостью;

- разработать методику обеспечения кавитационной безопасности водосбросов в детерминистической и статистической постановке -(с использованием элементов теории надежности);

- апробировать разработанную методику обеспечения кавитационной безопасности водосбросов, используя имеющиеся данные натурных исследований кавитации на гидросооружениях.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

1) На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных лично автором, разработана до уровня инженерных приложений физическая модель кавитационной ерозии бетона, как процесса усталостного разрушения;

2) С помощью предложенной модели проанализирован больной объем зачастую противоречивых данных лабораторных и натурных яс-

следований кавитации, в результате чего получены уравнения, описывающие зависимость инкубационного периода, объема, глубины и площади эрозии от определяющих факторов;

3) Решена задача численного учета влияния концентрации сво-оодного воздуха на эрозия;

4) Разработана шкала так называемой "стандартной" кавитационной износостойкости строительных материалов;

5) На основе исследований, выполненных с использованием методов математического планирования эксперимента и факторного анализа получены математические модели физических свойств (в том числе и стандартной навигационной износостойкости) новых типов строительных материалов - цементно- полимерных бетонов и полимер-бетонов;

6) Разработана методика оптимизации состава бетонов с повы-сенной кавитационной износостойкостью (в том число с использованием метода согласованного оптимума);

7) В детерминистической и статистической постановке разработана методика обеспечения кавитационной безопасности водосбросов, основанная на оценхе возможных кавитационных повреждений.

• Практическая ценность работы состоит в том, что на основе теоретических исследований и обобщения данных лабораторного и натурного изучения кавитация созвано новое направление в деле решения сложной проблемы современной гидротехники. Это открывает перспективу увеличения кавитационной надежности водопроводягцих с о ору- . нений, улучшения их экономических показателей.

Апробация и внедрение результатов выполненной работы связано с проведением исследований для ряда крупных объектов гидротехнического строительства по заказам Гидропроекта, Средазгипровод-хяогаса, ШШГ )ш В.Е.Веденеева,Оргзнергостроя, Совзгилроводхоза

и заключается в научном обосновании проектных решений на различных стадиях проектирования сооружений в виде оценки кавитационной безопасности тит и конструкций водосбросов при вариантной их проектировании.

Выполнены исследования по обоснованно противокавитационных мероприятий на водосбросах гидроузлов: Токтогульского, Андижанского, Саяно-Щушенского, Нижне-Кафирниганского, Камбаратинского, Хоабинь (СРВ) и др. '

По заданию и при активном участии НИСГнцропроекта км С.Я. Кука и института Оргзнергострой выполнен широкий комплекс работ по исследованию и внедрению в практику гидротехнического строи-

С-

тельства цементно-полимерных бетонов и эпоксидного полимербетона.

Полученные автором диссертаций данные в части методики учета кавитации и свойств цементно-полимерных и полимерных бетонов использованы при составлении нормативных документов по кавитации.

Основные положения выполненной работы внедрены в учебный процесс в воде отображения материалов исследований в учебнике по. гидротехническим сооружениям и в методических указаниях для хурсово- • го и дипломного проектирования.

Результаты исследований опубликованы .в 43 работах и доклады- .: вались на Всесоюзных научно-технических конференциях, совещаниях и симпозиумах, на координационных совещаниях по гидротехнике, на научно-технических конференциях ШСИ и Гидропроекта, на XI конгрессе МАГИ (Ленинград, 1965), на XX конгрессе КАТИ (Москва, 1983), на симпозиуме КАШ по двухфазным потокам и кавитации (Гренобль, 1976).

Работа выполнялась на кафедре гидротехнических сооружений и в проблемной лаборатории ДРСШ ШСИ им В.В.Нуйбышева.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, спнс-

ка использованных источников и приложений. Общий объем диссертации 479 страниц, из них 282 страницы машинописного текста, 176 страниц о рисунками и таблицами, библиография имеет 134 наименования (14 страниц). В приложениях приведен список научно-исследовательских отчетов, включающий 31 наименование и документы, под-тсергтдапщиэ использование в нормативах по кавитации материалов диссертации.

На зваиту выносятся следующие основные положения:

1) Теоретические и экспериментальные исследования по обоснования физической издели кавитационного износа бетона, как процесса усталостного повреждения;

2) Исследования зависимостей инкубационного периода, объема, глубины и площади эрозии от определяющих факторов;

3) Исследования стандартной кавитеционной износостойкости строительных материалов.

4) Математические мделл физических свойств новых строительных каторяалоа: споггсидного полюарботсна и цемснтно-поликорких бетсноз.

5) Дпэ расновцдностк иэтодшсн оптимизации состава кавитаци-снно-стсЯкого бетона.

6) Цзтедгаса обеспечения «агитационной безопасности водосбросов, основанная на оцгиае .еозмояфх кавитационных поврездений (в детертгшсткчзскоЯ и статистической постановке).

i. сиаичэскАЯ шдаь КАшадганного износа ветсна как процесс усшошоп) понрвдения :

1.1. Прогресс в совершенствовании методики учета явлений ка-8ит£ц:гл на п!Дроссору=с:г.1ях связей с необходимость» разработки достоверной физической модели кавитационного разрусзния. Сущест-сешйЛ сялад в ргггнне отой задачи снесли Ккэпп Р., Тирувенга-

дай А., Хэммит Ф., Шальнев К.К., Дерендовский А.4., ХазцукП., Богачев И.Н., Пьшаев Н.И., Гривнин Ю.А., Волин В.Э., Донченко Э.Г., Будяк В.В., Перельман Р.Г., Баулин В.И., Фрид А.М., Лысенко . и др.

Необходимо подчеркнуть, что экспериментальные лабораторные исследования кавитации по ряду причин обычно выполняются при сильных искажениях границ потока, что существенно влияет на их результаты. Это создало парадоксальную ситуацию, когда теория не может истолковать противоречивые результаты эксперимента, а некачественно выполненный эксперимент затруднительно использовать дм корректировки теории."

С:

Оценивая критически результаты известных разработок по созданию физической модели кавитационной эрозии,можно отметить присущие им некоторые характерные особенности:

1) За немногими исключениями они базируются на использовании зависимости

Ц)

где I - интенсивность (скорость увеличения) глубины или объе- ■на эрозионной каверны; Л/ и 6 соответственно число импульсов и напряжение от замыкания кавитационных пузырьков, отнесенные к единице площади эродируемой поверхности.

2) Накопление усталостных повреждений описывается с позиций энергетических теорий усталости.

3) Гипотезы относительно структуры зоны кавитации не имеют надежного экспериментального обоснования.

Использование уравнения (1) и энергетической теории усталости применительно к кавитационной эрозии представляется естественным, однако зто приводит к разработке модели, неправильно отража-/ ющей реакцию материала на кавитационные воздействия.-

. Согласно современным представлениям работу материала в зоне кавитации следует рассматривать как процесс образования, накопления и перемещения дислокаций, которые, сливаясь, образуют полоса скольжения. Выходы дислокаций на поверхность материала приводят к возкикновгта ступеней, надрезов, что в конечном итоге приводит к образования и развитию микротрещин, образующих мозаичную структуру, состоящуй из отдельных микроблоков. В инкубаци-онныЛ период резко возрастает количество дислокаций, сеть микро-трещга становится более мелкой. Размеры блоков микроструктуры того заметно укеньваотся. Дальнейвео кавитационное воздействие способствует развитию микротрещин в макротрещины, что и приводит к разрущенкэ поверхностного слоя с еывалом отдельных блоков микроструктуры и к началу "тотального" разрувенкя.

При наблюдении за поведением образцов в зоне кавитации на их поверхности фиксируются также и следы от ударов высокой интен-стености. Однако их количество и суммарный эффект воздействия на поверхность материала существенно мсньпе, чем воздействие ударов малой гсггенсисности, реализующихся через возникновение дислока-цисяяах полос скольжения.

' Известно, что при любой схеме нагружения материала за образование усталостных трещин, отделяку« блок микроструктуры от массива, ответственны нормальнее и касательные к трещине напряжения. Это дает основание при разработке модели разрушения от кавитации использовать те же законы усталости, что и при осесиммет-ричном циклическом нагруженпи.

В данной работе закон усталостного повреждения при кавитации был принят в детерйкннстической н статкетнчеекеЯ формах. Прг дотермюгастическоЛ форме стандартная кривая усталости для стали была скорректирована с учетом наличия химически агрессивной жид-

12 ■.'■■'

коЯ среды, локального повышения температуры в месте захлопывания пузырька и механического упрочения поверхности - аффектов, сопровождавших эамыкену.е пузырька на поверхности твердого «ела. Влияние агрессивных .факторов на вед кривой усталости, как известно, проявляется через изменение угла Наклона пробой ветви ее и изменение базового числа циклов .Л/Л путем ушохения их на соответствующие коэффициенты условий работы ¿¿ , которые принимались по опубликованным источникам. В результате было получено уравнение кривой усталости в виде

« ' Я Л-

= * (2)

где сЛ/х пред - предельное число циклов нагружения, которое может выдержать материал приданномуровке нагружения 62 ; ^¡^ - число циклов, соответствующее точке пересечения праной ветви кривой усталости с осью Л ; - тангенс уг-

ла наклона пракой ветви кривой усталости к отрицательному направлению оси .

В нашем случае обе ветви кривой усталости вырождаются в одну -прямую, имеющую условный предел усталости ■ 36,5 Ша и

величину Ц ¿р-я я 37 Ша и пересекающую ось абсцисс в точке ■Л1{1 * 4,7 • Ю8.

Очевидно, что примененный способ получения кривой усталости приблизителен и не свободен от недостатков. Было бы надежнее иметь дело с кривой усталости металла, работающего в зоне кавитации, полученной экспериментально, но, насколько нам известно, таких данных нет, и поэтому предлагаемый здесь путь решения задачи пока естественно возможный.

Закон усталости при кавитационных воздействиях на конгломератный материалы типа бетона можно принять в той же форме, что и .

для стали. Однако с уровнем нагружения и числом циклов Л/^ в этом случае ыоано связать некоторую вероятность повреждения поверхности материала. т

, (3)

п 61

где Ц:я т— - относительное максимальное напряжение цикла;

Л Ипр

КПр - предельная "разрушающая" нагрузка, принимаемая обычно равной пределу прочности бетона на сжатие; - число циклов приложения нагрузки уровня <5*1 ; а,Ш - константы для данного материала и нагруяения образца;

I, вероятность нзраэруггния (сохранения, вшивания) образца при сочетании денных й I и 6*1 .

1.2. Ударные импульсы, возникавшие при заюжанки пузырьков, зависят от структуры кавитационноЯ каверны. Поскольку на элемента* гидросооружения обычно имеет место мелкопузырчатая стадия ка-еятгцхя, в дальнейшем речь поЯдет о структурных характеристиках К!йняо моя стадии.

Исследования структуры кавитации требуют фиксации пространстве кнеЯ картины пузырьковоЯ зоны. Это связано с необходимость«) использования светового потока большоЯ интенсивности при ультракороткая экспозиции. Для репения этих вопросов в настоящеЯ работе применен метод голографии с использованием рубинового лазера. В исследованиях была использована гологрефгааскал установка УИГ-1М с двумя лазераю: импульсным рубиновым - для записи голограмм и гелиЯ-неоногь24 нзпрзрыЕИОго действия ЛГ-Зб - для воспроизведения изображения и юстировки оптическоЯ система. Создаваемая установ-коЯ световой юшульс больпоЯ мос^ости (25 Ц£0 и ко{>откого вриме-нн экспозкцкн (30 не) позволил получить пысококачестЕекти голо-гр^гга бцстродр¡яугуосся микроструктурных отдельностеП зоны кави-

тации. Кавитационные, пузырьки в восстановленной изображения обмерялись с помощь» микроскопа при суммарном увеличении 40-100*. Кавитация возбуждалась в камере прямоугольного поперечного сечения за цилиндром диаметром 35 ми в диапазоне изменения скоростей Vя . = №-33 м/с.

В результате этих исследований установлено, что в факеле кавитации одновременно присутствуют пузырьки как сферической, так и

1/

несферической формы. При начальных стадиях ( £ - = АI ) наблюдается подавляющее большинство мелких пузырьков (менее 0,1 мм), имеющих сферическую форму. С развитием кавитации пустотность и средний диаметр пузырьков увеличиваются, растет и процент пу- . зырьков несферической формы. Гистограммы распределения радиусов пузырьков имеют явно выраженную асимметрию, причем модольное значение радиуса смещено влево относительно его математического ожидания. Эпюра концентрации пузырьков в поперечном сечении потока является практически прямоугольной.

1.3. В специальной серии экспериментов исследовалось воздействие кавитационного факела на полированную поверхность образцов, -выполненных из стали й сплава Вуда. В результате впервые непосредственно в эксперименте показано, что поверхность материала подвергается воздействию от замыкания пузырьков ках сферической, так и несферической формы, расположенных непосредственно на этой поверхности, а также внутри потока лищкости.

Кристалло графиче ский микроанализ подтвердил ранее высказывавшееся предположение о том, что на процесс кавитационного износа, материала некоторое влияние оказывает химический фактор.

1.4. Одна из основных трудностей при построения теории кави-тационной эрозии заключалась до недавнего времени в отсутствии количественных данных, харахтериэущихнагружегаю материала в зоне

• • 15

кавитация. Благодаря успехам в миниатюризации датчиков давления в последние 10-15 лет появились возможности прямого измерения импульсов ударных давлений, воспринимаемых зернами (отдельностя-ка), слагегщ.'^ материал твердой стенки, соприкасающейся с зоной кавитации. Тарировка датчиков кавитационных ударов, побочные акустические и электрические эффекты в его деталях создают ряд трудных проблем, неревенность которых заставляет сомневаться не только в количественных, ко и в качественных характеристиках нагруже-ния. Поэтому возникает необходимость в разработке теоретических основ, позволяема дать качественный прогноз возможных водов функции плотности распрэделения кавитационных ударов.

Рассматривались дез схеии замыкания пузырька: внутри жадности и на поверхности материала.

При елалнзе зашхания пузырька внутри падкости была использована известная гипотеза о том, что за повреждение поверхности ютеркала ответственна продольная ударная волна/разбегающаяся от центра опаезего пузырька. Принималось также, что давление в отоЯ волне убывав* обратно пропорционально расстоянию от центра цузырьва а соотезтствии с ревениями, полученными Релеем А., Хик-дингом Р. н Плессотса И., а такав Хорогчвым Г.А. В результате показано, что независимо от вида функции плотности распределения радиусов пузырьков функция плотности распределения кавитационных ударов есть гкпэрбола четвертой степени.

При инализе зпмпанил пузырька на поверхности материала использовалось положение о том, что в этом случае повреждение в основном называется сотой Редея, распространяющейся от точки замыкания в теняон поверхностной слое материала. При згой показано, что функция плотности распределения импульсных кавитационных нагрузок есть гцпзрбола степени 7/3.

1.5. Экспериментальное изучение распределения кавнтацмонных микроударов о поверхность облицовки производилось с помощью мало-габартного пьезокерамического датчика ДЦ-2П.

Эти эксперимента показали, что в коорданатах время - сила удара импульс от замыкания отдельного пузырька имеет столообразную форцу с округлой, обычно двугорбой вершиной. Время нарастания переднего фронта составляет 2-4 мхе црж общей продолжительности импульса 5-10 мкс. Сила отдельных ударов в опытах изменялась в пределах 0,1-250 H (0,01-25 кгс), т.е. в 2500 раз при изменении скорости потока от 20 до 32 м/с, а стадах кавитации от 0,7

до 0,5.

При этом в координатах пространство - напряжение форма ш-роудара о поверхность моокет быть представлена как прямой конус с основанием, равным площади удара. Расстояние от произвольной точки основания конуса до его поверхности соответствует напряжение в этой точке, а объем конуса - силе удара.

Исследования этого цикла подтвердили правильность теоретических выкладок по определению функции плотности распределения кавитационных ударов.

1.6. Впервые экспериментально подтверждена гипотеза о том, что кавитационное разрушение вызывается в основном усталостными процессами ыногоцнхлового характера. При этом Ведущая роль в на-копленкм'усталостных' повреждений принадлежит имцульсам низкого и среднего уровня, но высокой повторяемости, а не мелацикловой нагрузке высокого уровня, хах предполагалось ранее. Так, например, до 90% предельной меры усталостного повреждения вызываются ударами, интенсивность которых не превышает 40-60Ï их максимального

'значения, зафиксированного в оштах.

■ ..-.- .17

2. исследования зависимости показателей эрозии ОТ опрвделяпщ факторов'

2.1. Вопрос о влиянии различных факторов на хавитациокнуп врезка рассматривался о роботах Кпзппа Г., Тирусенгадаиа Д., Кол-гейта Д., Гоаинда Pao, Шальнева К.К., Розанова Н.П., Пылаева H.H., Ефимова A.B., Картелева Б.Г., Новиковой И.С., Цедрова Г.Н., Гальперина P.C., Веремзенко И.С., £ысенхо П.Б., Сеиенкова В.К., Жарова H.H., Хеюита 0., Раиацуртв A.C., Бхаскарана В., Расмуссена Р., Варга Й., Козырэса С.П., Вант Хи-fyii, Фарлея X. и др.

Несмотря на обклкэ ргбот и наличие глубоких результатов по отделыввГеопросем рассматриваемой проблемы, до сих пор не удавалось создать достоверну» методику инженерного прогноза кавитаци-сннсй эрозия. Дрячгаш этого изееспш: отсутствие апробированной фязичгскоЯ модели «агитационного разрушения; больсой набор факторов, определяема развитее орозии, что сынуадало проводить экспе-ргтанталыгыз ксследовзнкя 'их влияния изолированно друг от друга по суг^стЕенко разятзагц 1гэтедикаи и на существенно не идентичных установках пря сильных ксвезениях граничных условий при лаборатория ксслздовзшиях по сравнена с натурой.

' 2.2. С учэтеи полученных теоретических результатов, используя фязичзсяуэ модель навигационного воздействия как усталостного процесса и докне по ксслодованиа кшематических и структурных харзгтср:хг.я блкэгэго с:гхрэпого следа за возбудителем кавитации, удалось показать, что заснагюсш мезду основным:! показателям:« орозги (объегки W , глубиной Л и площадьв О) ) можно получить на осносе ток называемой моделя тела внедрения. При этом разсэт^з со ерг^еги иазвеиних показателей в фазе одиночной казер-па уетю обрагно представить как результат снедрения в ородируе-муа погэряюсть пара, каег^его'радиус R» , равный радиусу

вихрей, сходящих с возбудителя кавитации. Апробация предложенной модели по данным натурных наблюдений подтвердила ее пригодность для прогноза эрозии на ранних стадиях развития, при условии* что произведены замеры величин W , fi к (л) хотя бы один раз (что не всегда можно осуществить). ... •

2.3. Известно, что сильное влияние на интенсивность эрозии оказывает скорость потока. Согласно многочисленным эксперименталь-

• - ¿W

ным исследованиям интенсивность эрозии l=!rjp пропорциональна скорости V в степени ГЧ , причем Р1 в разных экспериментах получено равным т. ■ I 4- 12. По некоторым теоретическим оценкам (на основе эне'ргетических представлений) m . 8-9 независимо ни от скорости потека, ни от свойств материала.

Использование описанной выше модели развития эрозии позволило определить, что на самом деле, по крайней мере для бетона и стали, показатель степени пх зависит от скорости потока:

"• etay-a. ■:■ _ 1 f.9h * 10 7 :

• !+'■ Í+IO'W-O- ' :: (4)

где а »ю-7 + ю"8. V.-.

Так, если , V »10 м/с, то /П ■ 1,5; при V » 15 м/с m = 4;при У» 20 м/с • т. - 5 и при V - 30 м/с ГП - 6,5.

2.4. Весьма плодотворным оказалось использование разработан-^ ной физической модели навигационного разрушения к анализу влияния аэрации на кавитационную эрозию.

Обычно полагает, что механизм уменьшения кавитационной эрозии в присутствии свободного воздуха в воде является следствием демпфирования.на последних стадиях схлопывьния кавитационных пу- ... зырьков, развивающихся из воздушных пузырьков, которые образуются . при аэрации. При этом имеющиеся рекомендации по количеству воздуха, достаточного для полного подавления кавитационной эрозии, весьма .

• •,.'.' 19

приближены и противоречивы. В одних исследованиях указывается, что для подавления кавитационной эрозии достаточна концентрация воздуха в потоке = 0015-0.02 , в других - рекоыендует-

ся обеспечивать относительную концентрации воздуха до 0,25-0,40 {здесь ^ и расход соответственно, газовой и жидкой составля»-ией в погоке). Отсутствие численных методов учета влияния причесанного воздуха на кавитационцув эрозия не позволяет оценить эффективность конфетной конструкции аэратора, обоснованно назначить тре-буеиуо величину аоздухозахмта, определить расстояние между аэраторам«.

При обсуждении механизма влияния свободного воздуха на кавита-. ционнуп эрозио в данной работе принимается гипотеза, согласно которой в случае возникновения кавитации в аэрированном потоке среда представляет собой трехфазную смесь: жидкость; воздушно пузырьки; кавитационные цузырьки, заполненные в основном паром. При этой влияние свободного воздуха на процесс замыкания кавитацион-ного цузырька реализуется посредством учета сжимаемости среда. Пр:асшсется кваэягсмогеннал модель среда с диспернрованной газовой фазой. Требование квазкгокогекнрсти сводится к требования малости расстояния между пузырькам:« по сравнению с характерным линейным масптаСоа движения жидкости в целом, что на практике выпол-. няетсл. Кроме того, предполагается, что газ в воздушном пузырьке идеальный, а процесс его сжатия изотермический. Показано, что влияние поверхностного натязеная вода и степени дисперсности приметанного воздуха на скорость распространения звука мало значимы. При этих условиях скорость распространения звука С/ равна

/ -^ТбкуР > • ' (5)

где V - коэффициент.

Пригашая,- что модель кавитационного разрушения бетона описи-

вается уравнением (3), а импульсная нагрузка определяется несферическим замыканием кавитационных пузырьков на поверхности материала, удалось показать, что коэффициент о£ уменьшения интенсивности эрозии /у в аэрированном потоке по сравнения с интенсивностью эрозии 1о в неаэрированном потоке равен

= = мер [а-&/((-?) у п (б)

Имеющиеся экспериментальные данные, полученные ранее А.Петеркой и в НИС'е Гидропроекта подтвердили правильность зависимости (6) и позволили определить численные значения коэффициентов О. и 6 . При этом Г1] (6,а)

Полученное численное решение показывает, что эрозия в аэрированном потоке уменьшается не пропорционально концентрации воздуха У , а описывается экспоненциальной зависимостью от концентрации у. Например, при у • 0,01; 0,02; 0,04; 0,08 и 0,016 интенсивность эрозии соответственно снижается в 2,5; 10; 50; 460 и 8000 раз.

2.4. Обобщение данных лабораторных исследований, выполненных лично автором и ранее известных, позволило найти математические зависимости, учитывающие влияние на развитие объема кавитационных разрушений формы обтекаемого элемента, стадии кавитации и физических свойств эродируемого материала. При этом впервые показано, что коэффициент формы возбудителя кавитации, влияющий на эрозию, может быть выражен черев критический параметр кавитации.

Предлагаемые зависимости развития объема эрозии от определяющих факторов получены с учетом анализа результатов натурных исследований, выполненных на водосбросах отечественных и зарубежных гидроузлов (Волжском им В.И.Ленина, Братсхом, Красноярском, Саян о-

. ■ ; ••■.;.... 7.' 21 •

Щушенском, Зейском.Авдижанском, Тарбела (Пакистан), За Хи и '

Фенг Иен (ПНР), Супхунском (КНДР) и др.). Такой комплексный анализ выполнен впервые.

2.5. Везно отмотать, что впервые влияние свойств материала интегрально учтено путем введения в уравнения принципиально новой ; характеристики, так называемой стандартной интенсивности эрозии

Lern » П°Д которой подразумевается скорость .увеличения объема разрушений при наиболее зрозионно активной стадии кавитации в неаэрированном потоке большой глубины, за прямым выступом высотой 2 "Ю мы, протяженностью поперек потока / г I м и

при скорости набегания на ребро выступа => 30 м/с. Величина

I , полученная в других гидравлических и кавитационных условиях может быть пересчитана к условиям■стандартных кавитационных воздействий и наоборот.

2.6. Важной характеристикой процесса развития кавитационной эрозии является инкубационный период Ч^и • При интенсивных кавитационных воздействиях и низкой износостойкости материала облицовки величина мала. Натурные данные показывают, что при йеличине Шу? 30 м/с на облицовках из цементного бетона сред-; него качества кавитационные повреждения возникают через несколько часов. .'

При скорости потока Vxop^.25 м/с, как это видно на примере ; повреждения гасителей энергии Волжской ГЭС им В.И.Ленина, величина i^ftlOO часов для цементного бетона среднего качества. Продолжительность инкубационного периода возрастает при уменьше- , ' нии скорости, наличии аэрации, а также при использовании для устройства зенитных облицовох »материалов с повышенной износостойкостью. В этих случаях инкубационный период существенно влияет на -развитие эрозии. •'.•..' .. • /' V; Ч

. : .' 22 .

В де ствующих нормативных документах по кавитации доцуска-ется работа элементов водосброса в течение инкубационного периода. При этом рекомендуется использовать зависимость, в которой величина обратно пропорциональна характерной скорости

в степени 10. На основе анализа обширного экспериментального материала, полученного в лабораторных и натурных условиях, показано, что ата зависимость ошибочна; на самом деле величина '•/Гц, обратно пропорциональна интенсивности эрозии I или характерной скорости потока Ухар в степени 6,5. Анализ результатов натурных исследований позволил предложить для практического . использования зависимость инкубационного периода от определяющих факторов. -

2.7. Глубина каверны К , возникающей на защитной облицовке водосброса за возбудителем кавитации является важнейшим пока-' зателем эрозионного процесса, определяющим как далеко от опасного предела находится сооружение.

Наиболее актуальный для практики вопрос данной проблемы можно сформулировать следующим образом: как изменяется интенсивность эрозии ¿д с течением времени и по мере увеличения глубины каверны и стабилизируется ли со временем глубина эрозии, когда . она достигает некоторой предельной величины кп ? .

При анализе этой задачи использовался закон усталостного повреждения при кавитации в форме (2). Принимая, что в соответст-. вин с законом диффузии инородных частиц в жидкости их концентрация на дне каверны падает с увеличением ее глубины по вкспоненци-альнсцу закону, а амплитуда пульсации гидродинамического давления убывает по линейному закону, получено уравнение (7), описывающее < изменение интенсивности эрозии со мере роста глубины каверны

¿1*Ьехр(-1,' : (7) '

■• 23

где 1д и - интенсивность эрозии при глубине каверны соответственно равной О иЯ ; 5 - характерный размер возбудителя кавитации. Согласно уравнения (7) при достижении относительной глубины каверны « 3 величина 1ц снижается примерно в 100 раз, а при ■ 5 - в 1000 раз, т.е. практически дальнейший прирост глубины на происходит.

Статистическая обработка результатов натурных наблюдений за развитием эрозии н& неровностях водосливной поверхности плотины ' ®енг 1Ьн (КНР) подтвердила тот факт что рост каверны в глубнну

прекращается по достижению некоторого предельного значения Ьщ . . Получено эмпирическое уравнение зависимости величины от скорости потока, характерного размера неровности и стадии кавитации. Произведена статистическая оценка его достоверности.

По результатам натурных наблюдений на плотине $енг Мэн получено эмпирическое уравнение зависимости площади пятна эрозии от • относительной стадии кавитации и характерного размера возбудителя кавитации.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТЩСШОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ВОПРОСЫ .

/ ОГСШШЩ СОСТАВА БЕТСНА ЭАЩИНКХ ОБЛИЦОВОК • 3,1. Практика эксплуатации гедроузлов среднего и особенно . высокого напора показывает, что обеспечение некоторого уровня ка-витационной износостойкости защитных облицовок водосбросов явля-' ется обязательным условием, гарантирующим юс безотказную работу деке при применении таких высокоэффективных средств активной защиты как аэрация потока. .

В качестве материала для устройства облицовок применяют це-кзнтный, цементно-солимериый и полимерный бетоны, цекентно-песча-ный и полимер-песчаный растворы, полимерные материалы, сталь и древесину. • */:..-' .'.-* .*■'.'.- ■ : ;'■•''.'

При подборе состава бетона для защитных облицовок необходимо учитывать помимо его кавитационной износостойкости ряд других технологических требований и производственных факторов, таких, например, как трещиностойкость, водонепроницаемость, удобо-укладываемость, отсутствие расслоения'смеси при транспортировке и укладке, дефицитность высокомарочных цементов, наличие карьеров песка и заполнителей необходимого грансостава и др. Поэтоцу современная техническая литература и нормативные документы регламентирует весьма разнообразные и жесткие требования, которым должен удовлетворять состав гидротехнического каьитационно-стойкого. / бетона, . ' ;. ''■''.

Общепризнанная в СССР методика подбора состава гидротехнического бетона базируется на методе абсолютных объемов. Составленные по данным общирных лабораторных и натурных исследований таблицы в сочетании с экспериментальным мотодом позволяют определить по перечисленным выше требованиям состав бетонной смеси.

Проблема состоит в том, чтобы обоснованно назначить уровни необходимых свойств бетона, при которых обеспечивается требуемая ■ долговечность защитной облицовки в конкретных условиях навигационного воздействия. В данной'работе эта проблема решается путем использования методики (излаженной в гл. 7), позволяющей определить требуемую величину стандартной кавитационной износостойкости об; лицовки 1ст , при которой гарантируется безотказная работа водосброса в течение заданного межремонтного периода, а танке путем использования справочных данных в виде таблиц, графиков и формул, позволяющих назначить величины 2-3 ведущих рецептурных и прочностных факторов бетона, при которых обеспечивается необходишй уровень величины ic.ni. Таким образом предлагаемая в настоящей работе методика подборёГсостава кавитационно-стойкого бетона не за--

меняет общепринятую методику, а является ее необходимым дополне- . кием.

3.2. Для создания "банка" справочных данных о влиянки ведущих рецептурных и прочностных факторов на величину Lun были выполнены общирные систематические лабораторные исследования основных строительных материалов. Исследования выполнялись в кази-тационной установке замкнутого типа при кавитации, возбуждаемой за цилгеадром. Скорость потока в сжатом сечении превышала 30 м/с. Размеры рабочей камеры позволяли испытывать бетоны с натуральной крупностью заполнителя. Пересчет данных лабораторных испытания к условиям стандартных казитационных воздействий осуществлялся путем учета разницы в скоростях потока, формы возбудителя кавитации и масштабного коэффициента. Исследования выполнялись с использова-. нием методов математического планирования эксперимента, факторного анализа и математической статистики.

Была получена система уравнений', описывающая зависимость • стандартной кавитационноЯ износостойкости цементного бетона Um . от основных рецептурных факторов, а также прочности его на сжатие ßcjg . Оказалось, что зависимость между величиной ¿im и Я еж носнт не линейный характер. Если фактор ' Kcx=COflst, то на величину Ltm существенно влияет структурный фактор бетонной cisca (через соотношение массы песка к общей насса заполнителей).

3.3. В последние десятилетия повышенный интерес наблюдается в индустриально развитых странах к промышленному использован™ цеггзятао-полкзрных бетонов. Из этой группы бетонов были исследо-в^а латсксзД бетон и бетон с добавкой эпоксидного компаунда. Иееледосгзпгя пегаэали, что введение в обычнкЯ бетон 20-50 кг/м3. указкзих аотетачзехих добасох позволяет увеличить их кавктаци-csij-a и п'дросбразаицга износостойкость в* 5-10 раз . . . .

3.4. Большой объем экспериментальных исследования был'выполнен с целью изучения полныербатона на основе епоксидной сколы. Эпоксидный полимербетон имеет уникальное сочетание фюико-механи-ческгос свойств; высокую прочность'и деформативнооть; его кавита-ционная износостойкость приближаетоя к износостойкости стали. Были получены математические модели его кавитаргонной и гидроабра-гивной износостойкости, а также прочности на сжатие. Разработана методика проектирования оптимального по комплексу ряда свойств состава. ... - '

В качестве примера приведем состав епоксидного полкмербетона (на I м3 смеси), сочетание свойств и стоимости у которого близко к оптимальному: смола ЭД-20 - 163 кг; полиэфир МГО-9 - 41 кг; каменноугольная смола - 48 кг; полиэфирполиамиН - 25 кг; гранитный . щебень > 5-20 мм - 1060 кг; песок - 880 кг; ад«ктрокоруцп -160 кг; прочность на сжатие и растяжение ic*«ßO Ша; Яр'* 7 Ша, стандартная кавитационная износостойкооть . La »5« 10"' мэ/сутки; стоимость - 880 руб/м®. Показано, что несмотря на высока« стоимость, защитные облицовки из епоксидного аолхмербетока весьма экономичны. . .

Определены показатели кавитационной износостойкости цементно-песчаных растворов, полимерпэсчаных растворов, древесины и стали.

3.5. При использовании для устройства защитных облицовок материалов с пойменной кавитационной износостойкостью увеличивается .надежность вооружений, удлиняются сроки межремонтного периода. Однако стоимость таких материалов существенно выю стоимости обычного бетона. Поэтому без специального технико-экономического обоснования целесообразность их применения не очевидна. Однако непосредственное определение экономической еффективности альтернативных вариантов защитной противокавктационной облицовки в настоящее

время оатруднено аследствие отсутствия обоснованных расценок на работы по ремонту «агитационных повреждений. В этих условиях определенный интерес представляет предлагаемые в диссертации приближенные методики, позволяющие выбрать оптимальный состав материала защитной облицовки. Согласно первой методике условием оп-. тимальнооти состава бетона облицовки является минимум функции

^ * ¿ипх «5 ■ • где £ - стоимость I ма бетона в деле. Показано, что эта.величина пропорциональна затратам на создание единицы износостойкости бетона, а также пропорциональна первоначальным капиталовложениям, приходящимся на один год межремонтного пе-. рицца.

Показано, что та же задача может быть успешно решена при использовании катода согласованного оптимума (метода Парето).

4. РАЗРАБОТКА МЕТСЩИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИОННОЙ - ' НДДЕШОСТИ ГВДРООООЕУМОЙ ^

4.1. Как отмечено гыпе, современная методика инженерного учета кавитации на гидросооружениях в основном заключается в от-, рвделении начала кавитация. Недостатки такого подхода к проблеме очевидны: недоиспользуются резервы водосброса по сопротивлении кавитациснным воздействиям; невозможно предсказать поведение соо- . рутения в тех случаях, хсгда возникновения кавитации не удается .. избежать Сна практике такая ситуация является, обычной); невозмож- . но дать технико-экономическую оценку эффективности альтернативных . .противокавитационных мероприятий. ;

Использование разработанной модели развития эрозиотлогпро-• • цэссоа позволило создать методику учета кавитации на гидросоору-гяниях га качественно новом уровне. Пр1 этом, проблема учета,кави-тавг.м трактуется как проблеиа обеспечения казитационной безопасное«!. В качестве меры кавитационной безопасности пригашается нг-'

■ который запас до предельно допустимого результата каеттационного воздействия: начала кавитации, конца инкубационного периода, предельно допустимого объема или глубины эрозии,

4.2. Задача обеспечения навигационной беяспасности может решаться в детерминистической или отатистичвской поотановхе. В первом случае факторы, определяющие кавитацио задается детерминистически жестко. Тем не менее задача обеспечении кя дотационной безопасности и в этом случае может быть весьма разноплановой. Можно поставить целью определение объема эрозии при конкретных условиях на водосбросе, когда заданы гидравлические парацвтри.фор-* мы, размеры и местоположение возбудителя кавитации .материал облицовки, время работы сооружения в условиях кавитации. Ыожно определить требования к качеству смоченной поверхности и материалу облицовки при заданных гидрологических, гидравлических условиях (о учетом режимов эксплуатации) и ограничении размеров врозии за данный межремонтный период; либо - найти необходимую степень аэрации потока и предельно допустимые скорости течения как функции остальных факторов, определяющих эрозию и др. Наконец, задача может заключаться в определении комплекса необходимых инженерных мероприятий, при выполнении которых работоспособность сооружения в течение определенного времени обеспечивается наиболее экономичным способом.

Достоинства и достоверность предлагаемой методики продемонстрирована на примерах анализа кавитахг энной безопасности водосбросов некоторых гидроузлов. В частности для Саяно-Оушенской плотины произведено нормирование требований к качеству поверхности и материала защитной облицовки, а также степени аэрации потока в пристенной зоне, при сочетании которых обеспечивается межремонтный период каждого отверстия водосброса в 20 календарных лет при

среднегодовой кавитационной нагрузке* Определенные в результате такого анализа требования позволяет также безопасно пропустить через данный водосброс один паводок 0,0155 обеспеченности, после чэго потребуется ремонт защитной облицовки.

Аналогичные расчеты выполнены для проектного варианта Нижне-Кафирниганского водооброса.

Необходимо отметить', что общепринятая методика вообще не дает возможности получить такую углубленную информацию о поведении вооружения* работающего в реальных условиях гидравлического и навигационного воздействий.

4.3. Природа факторов, определяющих кавитационные явления на гидросооружениях, имеет вероятностный характер; например не-, ровности поверхности в водосбросе имеют случайную форму и распо-ложеняе, показатели качества материала защитной облицовки отклоняются от их средних значений случайным образом и т.д. Следовательно и.'.процесс развития кавитационных явлений в водосбросе имеет также вероятностный характер.

Пря рэсэнии задачи в статистической постановке под кавитационной надежностью подразумевается вероятность достижения одного ' из трех предельных кавптационно-ороэкоюая состояний: начала кавитации, начала эрозия или предельно допустимого объема (глубины) разряжая.

Приближенное определение вероятностных кавитациенно-эрозион-ных характеристик (критического параметра кавитации К*р, продолжительности инкубационного пари ода Сц » объема эрозионной каверны V/ ) при этом мают бить получено в результате разложения 'соотЕэтстпувщих фунюрй в ряд Яэйлсра и примэнения теории о числовых характеристиках случайных величин. В результате матекати-чэсюя еззцтняя и диопэрига величин , Фц , V/ < можно

• определить через математические ожидания м дисперсии определяв-цих факторов.,

Достоинства предлагаемой методики учета кавитации в отатио-тической постановке продемонстрированы на примере анагаза навигационной надежности одного из пролетов Андижанской водосливной плотины. Используя данные натурных наблюдений удалось определить . отатистичаские характеристики качества поверхности и материала защитной облицовки» степени аэрации потока в пристенной воне и гидравлические параметры потока. Расчеты показали сучественную разницу в оценке степени навигационной надежности рассматриваемо^

• го вощооброса при детерминистическом и статистическом подходе к проблеме. Так, если ориентироваться на величины математических ожиданий определяющих факторов и на их основе датерминиетячеохи прогнозировать развитие кавитационных явлений, то можно убедиться, что безотказная работа водослива гарантируется во всех створах достаточно длительное время« Однако при статистическом•подходе обнаруживается, что в одной иа пролетов плотины »а 10 суток непрерывной работы объем вроаионной каверны может достигнуть 10 и8

с вероятностью 0,1%. Применительно к конкретному случаю, пожученный результат показал недостаточную кааитационную надежность вооружения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ I. Защита пиротехнических сооружений от кавитации продолжа-: ет оставаться,актуальной проблемой оовременной гидротехники. За последние 20 лет количество отечественных и зарубежных гидроувяов о тетелыни по последствиям кавитациокными повреждениями увеличилось на четверть. Это связано с тем, чтр во всем мире сохраняется устойчивая тенденция к строительству гидроузлов с уникальными параметрами; кроме того до недавнего времени достигнутый уровень

знаний не позволял создать надежную методику учета влияния кавитации на работоспособность сооружения.

2* Общепринятая методика учета кавитации на гцдросооругенилх базируется в основном на принципе недопущения начала кавитации. Недостатки такого подхода х рассматриваемой проблеме общеизвестны: нэдояспользуютоя резервы водосброса по сопротивлению кавитацион-ным воздействиям; невозможно предоказать поведение сооружения в тех случаях, когда возникновения кавитации не Удается избежать, невозможно оценить технико-эконсмичеокую эффективность альтернативных противокавитационных мероприятий.

: 3. Предлагаемая в данной работа методика интерпретирует проблему учета кавитации на гидросооружениях как проблему обеспечения их «агитационной безопасности, под которой подразумевается возможность достижения водосброоом некоторого предельно допустимого сос- . тояняя (в детерминистической или статистической постановке): начала кавитация, начала эрозия или предельно допустимого объем

. -

эрозии.

4. Выполненные комплексные теоретические и экспериментальные исследования структуры кавитационного факела, характеристик нагру-жения эродируемой поверхности и отклика материала на кавитацисн-кыэ воздействия показали, что физическую модель кавитационного износа можно интерпретировать как процесс усталостного разрусэния (о учетом особенностей кавитационного воздействия).

5. Использование разработанной физической модели кавитационного разрушения позволяло показать, что некоторые закономерности развития кавятагрюнного износа о начальной его стадии »«гут быть получены из гесмзтрячэоких оообрагзняй, если представить что в облицовку виэдрязтся нзкое тело вратршя Л например, шар) радиусом, рапой радиусу вихря, формирующегося в ближнем вихревом следе, за

возбудителен кавитации. При этом внедрение шара проиоходкт таким образом, что. прироот объема погружения IV в единицу времен« Т (за лхцевуп поверхность облицовки), т.е. производная /■ ■ - ^^г оотаетоя постоянной.-

6. Предложенная физическая модель кавитационного изнооа позволила осуществить комплексный анализ данных лабораторных исследований по навигационной эрозии, выполненных лично автором и другими исследователями. Апробация еавиоимоотсй, получения в результате этого анализа на материале натурного изучения кавитаци- . онной врозии показала их достоверность и пригодность для практического использования о Цель» прогноза инкубационного периода, . объема, глубины иплощади эрозионных поэреадений.

7. Обеспечение некоторого уровня кавиг&цкокной износостойкости защитных облицовок водосбросов является обязательным условием, гарашярупццм кх безоткавнув работу даже при применении таких высокоэффективных оредотв активной акгикавитационной защиты, как аэрация потока. В результате обширных комплексных иосле-дований традиционшх строительных материалов (цементный бетон, . сталь, древесина), а также новых (цементно-полимеркых бетонов, полимербетона, полимерных покрытий) разработана кх градация по шкале так называемой стандартной иэноооотойхоотн.-Эти данные в сочетания с предлагаемое методикой позволяя определить требуемый уровень стандартной износостойкости защитной облицовки при определённом комрлвкое других противокавитационных мероприятий, а также назначить главные, определяло*» показатели рецептуры и прочностные свойотва бетона, аная которые можно конкретизировать кавеотндо методами состав бетонной см$с*. Этот трои исследований впервые выполнен о использованием методов математического планирования екопэрнмзнта и факторного анализа.

8. Анализ задачи по определении оптимального состава защитных противокавитационных облицовок, выполненный путем нахождения минимума функции удельных затрат, необходимых для создания единицы изнооостойкоотн бетона, а такта методом согласованного оптимума (методах Парето) показал, что применение материалов с повышенной износостойкостью является экономически эффективным средством защиты от кавитации, несмотря на сравнительно высокую стоимость таких материалов.

9. Примеры использования предлагаемой методики з детерминистической и статистической трактовке для обеспечения кавцтацион-ной безопасности водосбросов ряда крупных гидроузлов показали ее высокую эффективность и достаточную достоверность. Практическая постановка задачи кавитационного расчета в этом случае может быть разноплановой. Нскно поставить целью определить требования к качеству смоченной поверхности и материалу облицовки при заданных гидравлических, гидрологических условиях (с учетом режимов эксплуатации) и ограничении'размеров эрозии за данный межремонтный период; либо нахождение необходимой степени аэрации потока и предельно допуотимых скоростей течения, как функции остальных; определяющих эрозга факторов и др. Наконец, можно поставить задачу

об определении комплекса необходимых инженерных мероприятий, при которых работоспособность сооружения в течение заданного периода обеспечиваетоя наиболее экономичны» способом. Таким образом, впервые появляется возможность количественной оценки эффективности инхенэрных противокавитационных мероприятий и обоснования необходимости и достаточности комплекса этпх мероприятий при условии обеспечения приемлемой «агитационной безопасности водосброса.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах. •

I. Воробьев Г.А. Исследование начала кавитации,.возникающей

на естественной зернистой шероховатости бетонной поверхности. -Известия ВНШГ. т. 78. 1965. с. 319-327.

2. Розанов Н.П., Шальнев К.К., Ыойс П.П., Пашков H.H., Во- . робьев Г.А. Прогнозирование начала кавитации на неровностях бетонной поверхности. - Известия ВНИИГ. т. 78. 1965. с. 304-318.

3. Воробьев Г.А., Иноземцев Ю.П., Розанов Н.П., Язев P.E., Пшешщын П.А., Сахаров В.Н. Исследования кавитационной стойкости

.' защитных покрытий бетона. - Тр. коорцинац. совещ. по пиротехнике, вып. 52. Л.: Энергия. 1969. с. 396-409,

4. Антипов А.И., Воробьев Г.А., Джемал Д.Г.М. Гидравличес-. кие и кавитациснные исследования водосбросов Ацдижанского гидроузла. - Тр. коорцинац. совещ. по гидротехнике. вып.52.Л. : Энергия. 1969.. с. 477-488.

5. Воробьев Г.А. Исследования условий возникновения кавитации у пазов плоских затворов. - Тр. координац. совещ. по гидротехнике, вып. £2. Л.: Энергия. 1971. с. 97-110.

6. Воробьев Г.А., Ефимов A.B. О механизме хавитационной эрозии. - Известия вузов. "Строительство к архитектура". УЗ. 1972. с. 105—110.'

7.Язев P.E. / Жукова Н.И., Воробьев Г.А., Ефимов A.B., Бу-дяк В.В. Исследование конструкций крепления и эрозионной стойкости эпоксидных облицовок бетона. - Тр. коорцишщ. совещ. по гидротехнике, вып. 74. Л.: Энергия. 1972. е. 194-198.

8. Воробьев Г.А., Ефимов A.B., Раков И.И., Буркат А.И.

О методике исследования кавитационной эрозии. - Тр. координац.

совещ,.по гидротехнике, вып. 98, Л.: Энергия. 1974.с. 39-44. .

- 9' Sfiaov А.Т., VoroyJOT G.I., rilenko Ju.I., ïetrov 1С.!!, liectiar.Lsn of Cavitation Damage and Structura of Cavitation £ddjr. -"Two-phase Flows and Cavitation in ?o«er.Generation Systeme", IAHR-iXRH Synposlum, Grenoble, 1976, p.p.160-169•

10. Воробьев Г.А., Ефимов A.B., Петров К.Н., йданко Ю.И. Исследование структуры кавитирующей жидкости. - Труды ВНИИСЗЯТЛ "Голографические методы и аппаратура в физических исследованиях", вып. 4. М.: 1977. о. 69-71.

11. Воробьев Г.А. Исследование протекания вязкой несжимаемой жидкости в целях гидромеханического оборудования. - Сборник трудов ШСИ им. В.В.Куйбышева. № 162. 1978. с. 91-97.

12. Воробьев Г.А., Бедилло Б.В., Комолов А.И. Кавитационная износостойкость древесины. - Сборник научных трудов ШШГиМ "Исследование новых конструкций гидротехнических сооружений и ' вопросы эксплуатации гидромелиоративных систем". Новочеркасск. 1963. с. 84-93.

13. Воробьев Г.А. Методика оценки условий применения материалов о повышенной кавитационноЯ износостойкостью. - Известия ВНИИГ. т. 162. 1983. с.62-69.

. 14. ТогоЪ^ет G.l. Methode of Cavltational Erosion Considaratior when.Designing Hydraulic" Structures. The XX IAHR Congress, Moscow. i 1983. V.2. (Sealaar 3). p.p.198-202. _

15. Воробьев Г.А., Язев P.E., Фрайнт Т.М., Николаев В.Г. Эпокоидный полимэрбетон как материал для защиты гидросооружений от кавитационного и гидроабразивного износа. - Известия ВНИИГ. » 167. 1983. с.47-50. '

16. Рукин В.В., Воробьев Г.А., Бедилло Б.В., Сорккн Э.Г., Полякова А.Б. Использование латексного бетона для повышения качества защиты водосбросных поверхностей от.кавитационной и гидроабразивной о рощи. - Энергетическое строительство. Р I. 1984. а. 33-35. ' '.

17. Воробьев Г.А- Нормирование требований к качеству поверхности и материалу облицовки высоконалорных водосбросов по

. условиям кавитации на примере водосливной плотины Саяно-Щуоенско-го гидроузла. - Известия ВНИИГ. т. 170. Л.: Энергоатомиздат. 1984. с. I03-II0.

18. Воробьев Г-.А., Бедилло Б.В. Исследования кавитационной износостойкости цементного бетона с использованием факторного анализа. - Материалы конференций и совещаний по гидротехнике "Гидротехнический бетон и его работа в сооружении". Л.: Энергоатомиздат. 1984. с. 176-181.

19. Воробьев Г.А. Защита гидросооружений от кавитации. -Сб. трудов-ШСИ им. Б.В.Цуйбышева. » 187. 1984. с. 58-65.

20. Воробьев Г.А. Стандартная кавитационная износостойкость строительных материалов. - Гидротехническое строительство. * 6. '

1984. с. 18-20. " '

21. Воробьев Г.А. Обеспечение кавитационной безопасности водосбросов при допущении ограниченной аровии (на примере Нижне-Кафирниганского гидроузла). - "Энергетическое строительство". W.

1985. с. 47-49. ■ " '

. 22. Воробьев Г.А., Семенков В.М. Влияние аэрации на кавита-ционную ерозип. - Известия ВНИИГ. Т. 200. 1988. с. 40-54.

23. Будяк В.В., Воробьев Г.А. Кавитационная эрозия стали как процесс усталостного разрушения. - Известия ВНИИГ. т. 200. 1988. с. 54-60..

24. Воробьев Г.А. § 4.6. Кавитационная стойкость и прогнозирование кавитационной эрозии различных материалов. - В справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений". 1988. К.: Энергоатомиздат. с. "SI-100.