автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Научное обоснование гидравлических параметров металлических сифонных водосбросов низконапорных гидроузлов

На правах рукописи

ЛЕНТЯЕВА Екатерина Алексеевна

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИФОННЫХ ВОДОСБРОСОВ НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОВ1Б1о

МОСКВА 2007

003061613

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

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

ГУРЬЕВ Ал им Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

заслуженный работник высшей школы РФ ВОЛШАНИК Валерий Валентинович

Ведущая организация - ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД»

Защита состоится 17 сентября 2007 г в 15— 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 « 15 » августа 2007 г

доктор технических наук, профессор ХАНОВ Нартмир Владимирович

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

И М Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время вопрос о реконструкции существующих прудов и малых водохранилищ, как в России, так и за рубежом, становится все актуальнее С момента строительства на большинстве гидротехнических объектов не было проведено ремонтных работ, изменился климат, уровни обеспеченности расходов По этим причинам существующее водосбросные сооружение пришли в упадок или не соответствуют требованиям по надежности В связи, с чем в настоящее время назрела необходимость произвести реконструкцию основных сооружений гидроузла, в том числе водосбросного сооружения

Одним из основных требований к процессу реконструкции является условие непрерывной эксплуатации сооружения без опорожнения водоема и жёсткие требования к качеству воды Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет конструкция трубчатого сифонного водосброса, устройство которого можно осуществить не прекращая эксплуатацию малого гидроузла Это обеспечивается укладкой водосбросных труб поверх гребня существующей плотины (дамбы)

В данных условиях эти водосбросные трубы будут работать по принципу сифона, поскольку при работе труб полным сечением верхний участок их будет расположен выше уровня, питающего эти трубы Горло сифона для этой цели располагают на отметке нормального додпорного уровня

Сифонные водосбросы широко используются в практике гидротехнического строительства для обеспечения автоматического подержания уровня верхнего бьефа в заданных пределах

Традиционно применяемые сифонные водосбросы имеют прямоугольное поперечное сечение достаточно больших размеров Зарядка сифона осуществляется отклонением нижней части струи, переливающейся через гребень входного сечения, к шелыге водопропускной трубы За счет защемления воздуха струей в потолочной части, происходит быстрый вынос воздуха и зарядка сифона при небольшом подъеме УВБ (5-10 см) Спецификой работы трубчатых сифонных водосбросов, являются незначительные параметры струи в нижней части при малых напорах на гребне входного сечения трубы и низкая эффективность создания вакуума при отжиме струи к верхней части трубы Следствием этого является необходимость значительного подъема УВБ для зарядки трубчатого сифона В этих условиях на первый план встает вопрос о времени его зарядки и о максимальной величине подъема УВБ, обеспечивающего

работу сифона полным сечением

Целью работы является научное обоснование и разработка методов расчета пропускной способности и режимов зарядки трубчатого сифонного водосброса, выполненного из стальных труб стандартного диаметра

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач

- произвести анализ и обобщение результатов предшествующих теоретических методик расчета и гидравлических исследований трубчатых сифонных водосбросов,

- получить теоретические расчетные зависимости, позволяющие определить продолжительность переходных режимов работы сифонного водосброса,

- осуществить экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при реконструкции гидроузлов,

- определить пропускные способности сифона при различных режимах работы,

- разработать рекомендаций по совершенствованию конструкции сифонного водосброса

Научная новизна работы будет заключается в следующем

- получены теоретических расчетных зависимостей для определения времени зарядки сифона,

- предложены теоретические зависимости пропускной способности сифона при наличии воздушного пространства в надструйном пространстве,

- установлены расчетные зависимости параметров струи при работе сифона в режиме водослива,

- получены экспериментальные данные для определения времени зарядки сифона,

- получены экспериментальные данных, позволяющих осуществлять гидравлические расчеты сифона в зависимости от уровней верхнего бьефа, вакуумного режима в трубе сифонного водосброса, изменения давления в сифоне в зависимости от уровня верхнего бьефа,

- определены максимальные значения уровня верхнего бьефа в зависимости от скорости его подъема,

- реализована качественная оценка влияния конструктивных параметров на пропускную способность сифона

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований и предложенные расчетные теоретические и экспериментальные зависимости позволят выполнять гидравлические

расчеты трубчатых сифонных водосбросов и их проектирование в широком диапазоне параметров малых гидроузлов

Достоверность результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием протарированных приборов, средств измерения давлений и обработаны по современным методикам Достоверность предложенных рекомендаций обоснована значительным объемом модельных исследований, определенным планированием эксперимента, с последующим их анализом

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на, Всероссийской научно-технической конференции ("Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении".) Москва 2003г, на кафедре "Комплексное использования водных ресурсов" МГУП, 2004г, на Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Москва, ВВЦ, 7-10 июля 2004 г), на научно технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 2004-2005 г г

Результаты исследований сифонных водосбросов внедрены на объекте Аль Синн в Сирийской Арабской Республике

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, насчитывающего 74 наименований и приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста, иллюстрирована 84 рисунками, содержит 12. таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована* актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, указаны практическая ценность и научная новизна работы, приведены структура и объем диссертации

В первой главе диссертации изложен обзор существующих конструкций сифонных водосбросов Дана оценка их основных параметров, рассмотрены основные элементы конструкций

В работе приводится общая классификация сифонных водосбросов Произведен анализ как зарубежных, так и отечественных запроектированных сифонных водосбросов Данные обзора показывают, что преимущественно изучались конструкции высоконапорных водосбросов

В диссертации дается обзор существующих методик расчетов параметров сифонных водосбросов и рекомендации о принятии

основных размеров водосбросного тракта (радиусов закругления, отметки гребня) В работе рассмотрены работы Т В Ивановой, Н А Иларова, О В Вяземского, О В Катруха, Логвинова, В Н Нелидова, Ниберга А А , Мисенева В С , В И Туманяна, Г В Симакова и др

Следует отметить, что в справочной литературе по гидротехническим сооружениям и гидравлическим расчетам сифонный водосброс рассматривается уже в заряженном режиме (то есть работающим, как напорный водовод) и не уделено должное внимание переходным процессам, предшествующим зарядке

Во второй главе дано теоретическое обоснование гидравлических параметров для периодов работы сооружения предшествующие зарядке трубчатого сифонного водосброса В диссертации выделены характерные режим работы сифона режим водослива со свободным переливом воды, режим зарядки сифонного водосброса, который в свою очередь подразделяется на две фазы (сжатие воздуха в надструйном пространстве без его выноса гидравлическим прыжком с расходом (3,,г„д = 0,пр = 0 и с выносом воздуха гидравлическим

прыжком, т е дв03д =дпр > О

На рис 1 представлена расчетная схема рассматриваемого трубчатого сифонного водосброса

Режим истечения со свободным переливом будет происходить до тех пор пока не закроются выходное сечение трубы сифона и верхнее отверстие воздухоподводящей трубки Используя формулы Штрауса

для № и Зандена для расхода круглого отверстия в тонкой стенке, в нашей обработке, расход для этого режима может быть определен по зависимости

6 = 15,2 Я1'79^'71 (1)

где Н. напор воды над нижней кромкой входного сечения сифона,

с) - диаметр трубы сифона

Время работы в этом режиме определяется по зависимости

=0,823£/-°'25^'64Г10'358 )

где XV, - сумма объемов воды в капюшоне \Укап, в струе \\/гС1р и в ковше \Vkob на момент закрытия выходного сечения трубы сифона, иВв - скорость подъема уровня верхнего бьефа

Для определения \¥стр необходимо построить кривые спада, определить изменение поперечного сечения струи, после чего может быть посчитан ее объем На рис 2 приведены совмещенные графики изменения объемов струи \^стр=ВД и выноса объема воздуха

\\'возд=ОД в трубе сифона

После закрытия выходного сечения трубы сифона и верхнего отверстия воздухоподводящей трубки увеличение объема струи вызывает сжатие воздуха в надструйном пространстве Кроме того начинается перелив воды по периметру выходного оголовка ковша с напором Нков, который вызывает подъем уровня воды в нижней части струи и дополнительное сжатие воздуха на величину

В диссертации получено уравнение для определения Ар из условия отсутствия выноса воздуха потоком за счет его защемления струей, втекающей в затопленную часть трубы и создающей гидравлический прыжок

Ар =

-Wcmp)iPemog

7id

1+-

nd2p0Wc

стр

Pso,ö&(w0-wcmp) где W0 - объем трубы сифонного водосброса,

-1

(3)

1 - уклон дна ковша, Рвозд _ плотность воздуха, - атмосферное давление

Давление Ар будет повышаться до тех пор, пока не сравняется с давлением, производимым на выходное сечение трубы напором на гребне ковша, то есть Ар = РвоздgHKOe В этот момент наступает III

фаза работы сифона, когда увеличение объема струи производит выдавливание воздуха из надструйного пространства

Для определения величины Ар в этот период, в диссертации получено уравнение

Ар = -

Б + л]в2-4 АС

2 А

(4)

nd2

где

В

W0 +

^PsosöS

nd2

Po

Po

4' Реоздё

c = p0{Kmp-Q„Pdt)>

где Q„p— расход воздуха выносимого гидравлическим прыжком

Одновременно начинается заметный вынос воздуха из трубы сифона гидравлическим прыжком, который образуется в нижней части водосброса Увеличивающаяся интенсивность выноса воздуха прыжком, приводит к снижению Ар до нуля, а в дальнейшем к образованию вакуума Следствием этого будет резкое повышение расхода воды с лавинообразным выносом воздуха, который заканчиваются зарядкой сифонного водосброса График зависимости Ар представлен на рис 3

В третьей главе диссертации изложены основные положения методики модельных исследований сифонного водосброса, 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 сооружения, за базовую была принята модель сифонного водосброса диаметром 1,4 м с расчетным перепадов уровней верхнего и нижнего бьефов 5,7 м Модель трубчатого сифона была выполнена в масштабе 1 13,55, который обеспечивал гидравлически подобные режимы во всем диапазоне основных расходов водосброса

Сифонный водосброс представлял из себя трубу с уклоном 1=0,1 На входе было установлено водоприемное устройство в виде капюшона, входное сечение которого опущено в воду, с размерами Ь=с1 - ширина, 11=3(1 - высота, 1=4(1 - длина от его входного сечения до входного сечения трубы сифона Выходное устройство было выполнено в виде ковша с размерами Ь=2с1 - ширина, Ь=<1 - высота, 1=2(1 - длина Проточный тракт сифона, входной раструб и концевое устройство были выполнены из ПХВ труб с внутренним диаметром 103 мм Сифонный водосброс был снабжен устройством для срыва вакуума, выполненное из латунной трубки с наружным диаметром 15,5 мм и толщиной стенок 1,0 мм

Экспериментальная установка была размещена в малом зеркальном лотке лаборатории гидросиловых установок им профессора Д Я Соколова МГУП, который имел дно с нулевым уклоном, шириной 60 см и длиной 950 см, присоединенный к баку с размерами в плане 1,64х 1,6 м Конструкции малого зеркального лотка показана на рис.4.

Для быстрой и точной установки уровня воды в верхнем бьефе в приемном резервуаре имелся холостой водосброс, выполненный в виде прямоугольного в плане замкнутого водослива с тонкой стенкой 8, который соединялся с трубой диаметром 0=220 мм, перемещавшийся

при помощи штанги и червячной передачи по неподвижной трубе Переливающийся через водослив избыток воды поступал в подземную камеру лаборатории Червячная передача давала возможность установить требуемый уровень воды в верхнем бьефе с точностью до 0,1 мм

Регулирование расходов грубо выполнялся задвижкой, установленной на питающем насосе, и точно с помощью холостого водосброса установленного в приемном резервуаре.

В конце лотка был установлен клапанный затвор для регулирования необходимых глубин нижнего бьефа В подземной отводящей галерее был расположен^рямоугольный водослив с острым ребром для измерения расходов, проходящих через экспериментальную установку Высота порога водослива Ь„=380 мм и ширина Ь=605 мм

Напор на водосливе определялся с помощью шпитценмасштаба, установленного в специальном металлическом стакане, который был соединен с водосливом шлангом Расход водослива определялся по формуле Ребока

где Н - напор на водосливе в дм, Ь=6,05 дм - ширина водослива

В процессе модельных гидравлических исследований работы сифонного водосброса определялись следующие параметры уровни свободной поверхности воды в верхнем бьефе, расход, распределение давлений во входном оголовке, в горле и в проточной части сифонного водосброса.

В проведенных опытах значения числа Рейнольдса достигали величины Яе=8,46 103, что позволяло отнести исследуемые явления к автомодельной области по критерию Яе и считать определяющим критерием число Фруда

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований работы трубчатого сифонного водосброса на модели с внутренним диаметром трубы <1=103 мм и перепадом высот между порогом входного сечения трубы и шелыгой выходного сечения 0,42 м Исследовалась работа сифона в различных режимах моделирующих работу гидроузла при прохождении паводка от уровня верхнего бьефа ниже отметки НПУ до максимального подъема и сработки его после прохождения паводка

В зависимости от трансформирующей способности водохранилища, вида гидрографа паводка и величины его максимального расхода в реальных условиях скорость подъема может колебаться в широких пределах С целью выяснения влияния скорости подъема уровня верхнего бьефа на скорость зарядки сифона и величину

(5)

максимального подъема УВБ на модели были проведены исследования зарядки сифона при скорости подъема УВБ 0,5, 1,9, 3,0 и 6,4 мм/мин, Полученные данные представлены на рис 5, 6. Результаты исследований пропускной способности приведены на рис 7 За начало зарядки сифона принимался момент появления первых пузырьков воздуха в ковше водосброса Как показали исследования, при возрастании напора до Н/(Л = 0,5 0,55 график зависимости УВБ==1'(р) не зависел от скорости подъема горизонта воды в водохранилище Этот период работы сифона соответствовал I фазе сжатия воздуха в надструйном пространстве На рис 7 показана зависимость пропускной способности сифонного водосброса по (1) для напора Н — V УВБ — УГр Как видно из сопоставления теоретических

расчетов и экспериментальных данных, при напоре Н>0,4с1 необходимо учитывать повышение давления в надструйном пространстве трубы сифона

После начала выноса воздуха потоком из зоны гидравлического прыжка интенсивность выноса зависит от скорости подъема УВБ При малой скорости подъема повышение давления в надструйном пространстве незначительно, в то время как объем выносимого воздуха возрастает пропорционально времени выноса и увеличению расхода воды При малой скорости подъема УВБ зарядка сифонного водосброса происходит при напоре Н=(0,57 .0,58)<1 При скорости подъема 6,4 мм/мин зарядка сифона происходит при Н=0,73с1 В этом случае быстрое нарастание объема струи в трубе приводит к повышению давления в надструйном пространстве и уменьшению действующего напора на пороге входного сечения трубы, определяемого уровнем воды в капюшоне

После зарядки сифонный водосброс работает полным сечением в широком диапазоне напоров. Коэффициент расхода сифона ¡л находился в диапазоне 0,59 0,61 и соответствует коэффициенту шероховатости п=0,011 для пластиковых труб при коэффициенте Кориолиса а =1,1 в выходном сечении трубы

Разрядка сифонного водосброса зависит от местоположения впускных отверстий воздухоподводящей трубки и верхней кромки входного сечения капюшона В базовом варианте кромка входного сечения находилась выше порога входного сечения трубы на 30 мм, чему соответствовала полная зарядка сифона, что способствовало достаточно раннему началу разрядки из-за появления воздушных воронок на в> оде в капюшон Заглубление входного сечения капюшона ниже порога входного сечения трубы привело к улучшению работы сифонного водосброса при снижении УВБ На рис 7 приведены

экспериментальные данные работы водосброса с опущенной входной кромкой капюшона на 6 мм ниже порога входного сечения трубы

Одним из важнейших параметров определяющих работу сифонного водосброса является величина максимального вакуума Важность этого параметра, особенно для трубчатых сифонов, заключается в определении максимальных допустимых перепадов уровней в верхнем бьефе и шелыги выходного сечения трубы, а так же в определении распределения величины разряжения в капюшоне В последнем случае вакуум создает внешние нагрузки на капюшон, которые учитывая его низкую жесткость по сравнению с сифонами, выполненными из железобетона, могут быть опасными с точки зрения устойчивости стенок Максимальный статический вакуум на изучаемой модели достигал 0,25 м, что составляло 0,5г действующего напора заряженного сифона Величина максимального вакуума в значительной степени зависит от высотного положения шелыги входного сечения трубы над уровнем верхнего бьефа (статических вакуум) и скоростного напора в трубе (динамический вакуум) Если с учетом пульсации давления допустить максимальную величину вакуума 6,0 м вод.ст, то учитывая экспериментальные данные, трубчатые сифонные водосбросы можно использовать при напорах на гидроузлах до Нгу=6,0/0,5=12 м

На рис 8 показан график зависимости Н/ с1 — /{р/ркак )

Полученные данные изменения вакуума в капюшоне позволяют построить эпюры нагрузок на его боковые стенки и произвести расчет на прочность и устойчивость Эти данные приведены в диссертации

Одной из задач исследований работы трубчатого сифонного водосброса является изучение работы концевого устройства Особенностью конструкции изучаемого концевого устройства являлось его исполнение в виде ковша, в поперечном сечении выполненного из трех полуокружностей диаметром <1 трубы сифона Нижний участок ковша представлял собой продолжение горизонтального выходного участка трубы сифона, у которой срезана верхняя половина по осевому сечению Боковые поверхности выполнены из половин той же трубы, присоединенных выпуклостью вверх Таким образом глубина ковша равнялась диаметру трубы Торцевая стенка ковша выполнена плоской и наклоненной к горизонту под углом 45° При зарядке сифонного водосброса ковш работал как водослив с переливом воды по всему периметру В момент зарядки сифона и переходе его в работу полным сечением, происходил отгон прыжка и ковш начинал работать как рассеивающий трамплин При работе ковша в режиме рассеивающего трамплина отброшенная струя имеет форму купола эллипсоидной формы с большей полуосью, расположенной в плоскости оси трубы Отлет струи достигал длины 46. а расширение в плане до 2,5с), что

способствовало увеличению периметра падающей струи и снижению удельных расходов

Кроме базового варианта сифонного водосброса, в сокращенном объеме были проведены исследования его модификаций В частности, исследовалась конструкция сифона с носком-трамплином в концевой части трубы идея заключалась в том, чтобы отброшенная к шелыге струя увеличила интенсивность выноса воздуха по аналогии с сифонами прямоугольного сечения Однако эффективность зарядки не повысилась, а пропускная способность сифона упала На рис 5 приведен график зависимости уровня ВБ при зарядке сифона от скорости подъема УВБ

В результате исследований трубчатого сифонного водосброса разработана конструкция, обеспечивающая его стабильную работу с максимальной пропускной способностью и получены экспериментальные данные о коэффициентах расхода ¡л и вакууме

В пятой главе приведены статическая обработка экспериментальных исследований и выводы регрессионных зависимостей для основных гидравлических параметров трубчатых сифонных водосбросов

Целью эксперимента являлось сравнение работы различных модификаций трубчатого сифона и построение кривых связи для

- пропускной способности базовой конструкции и ее 7 модификаций, описанной регрессионной зависимостью для коэффициента расхода вида

Н г.

М = а—- + Ь, (6)

а

где а и Ь - константы, определяемые по экспериментальным данным Эти зависимости были сравнены между собой,

- величины максимального уровня верхнего бьефа при зарядке сифона в зависимости от скорости подъема УВБ, которая может быть описана аппроксимированной рефессионной зависимостью вида

- = аипвь+Ь, (7)

а

- для времени зарядки базовой конструкции сифонного водосброса в зависимости от скорости подъема УВБ. которое может быть описано регрессионным уравнением вида

'= аия;; (8)

На рис 9 показан совмещенный график зависимостей коэффициента расхода /л в зависимости от ///¿/для рассмотренных

модификаций конструкции трубчатого сифонного водосброса Зависимости для других параметров приведены в диссертации

Для выявления статистической достоверности эмпирических зависимостей была выполнена оценка параметров распределения выборок каждого из зависимых факторов Все параметры регрессионных зависимостей были оценены статически по критериям Стьюдента, Фишера, коэффициенту детерминации и гомоскедастичности остатков

В диссертационной работе были определены минимально допустимые объемы каждой из 16-ти выборок (8 вариантов конструкции при работе в двух режимах - зарядка и разрядка) по формуле для бесповторного отбора

Всего было проведено 317 опытов Проведенное число экспериментов обеспечило требуемую точность исследований, в которой при повышенной надежности эксперимента допускается ошибка выборки не более 5% В нашем случае ошибка лежала в пределах ^ 2,5%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Процессы происходящие в трубчатых сифонных водосбросах весьма сложны и в настоящее время нет возможности аналитическим путем произвести расчеты режимов зарядки и включения сифона в работу В доступной для изучения литературе приведены методики расчетов сифонных водосбросов уже находящихся в заряженном режиме

Методик расчетов переходных режимов сифонных водосбросов в изученной литературе не приводится

2 В диссертационной работе получены теоретических расчетные зависимости для определения гидравлических параметров трубчатых сифонных водосбросов, подтвержденные экспериментальными данными

3 Экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при проектировании, строительстве и реконструкции речных гидроузлов основывается на

- компактности сооружения,

- автоматичности их включения,

- чувствительности к повышению уровня,

- большой надежности работы,

- возможности сооружения водосброса после введения в эксплуатацию глухой грунтовой плотины,

4 Экспериментальные исследования позволили получить

зависимости для гидравлических расчетов сифонных водосбросов таких типов

5. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлена необходимость большой форсировки уровня верхнего бьефа для первичной зарядки сифона, которая возможна при минимальном напоре, равном 0,5D диаметра сифона в условиях стабильного состояния уровня верхнего бьефа

6 Исследование зарядки сифона в условиях растущего уровня верхнего бьефа показали, что величина форсировки и время зарядки зависят от скорости подъема УВБ и достигает 0,7D диаметра сифона при скорости 6,4 мм/мин

7 Рассмотренные в экспериментальных исследованиях модификации капюшона позволили разработать оптимальную конструкцию, которая может быть использована в проектной практике

8 Изучено распределение вакуума по длине трубы водосброса Установлено, что максимальный вакуум возникает во входном сечении Максимальное значение вакуума зависит от уклона трубы и при 1=0,1 достигает величины 0,5 действующего напора сифона. Полученные данные позволяют выполнить расчеты прочности и устойчивости оболочки сифона *

9 Предлагаемая конструкция концевого устройства сифона в виде ковша со стенками, расположенными на уровне шелыги выходного сечения, обеспечивает наиболее быстрое начало зарядки сифона

10 До момента зарядки сифона ковш работает как водослив с переливом воды по всему периметру, после зарядки - как рассеивающий трамплин Это обеспечивает благоприятные условия работы за счет резкого уменьшения удельных расходов в 5-8 раз

По данной диссертации опубликованы следующие работы

1 Лентяева Е А., Гурьев А П , Бегляров Д С Экспериментальные исследования сифонного водосброса //Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции / МГУП -2003 - с 80-81

2 Лентяева Е А, Гурьев А П, Бегляров Д С Модельные гидравлические исследования сифонного водосброса гидроузла Аль Синн в САР // Мелиорация и водное хозяйство/ - 2003 - №3 -с 43-44

3 Лентяева Е А, Гурьев А П , Бегляров Д С Пути повышения надежности эксплуатации малых водохранилищ и прудов И Всероссийская выставка научно-технического творчества

молодежи НТТМ-2004 Сборник материалов / ОАО "ГАО ВВЦ" -2004 - с 167

4 Лентяева ЕА Методика экспериментальных исследований водосбросного сооружения сифонного типа гидроузла Аль Синн в САР // Проблемы экологической безопасности и природопользования Сборник материалов Международной научно-технической конференции/ Международная Академия экологической безопасности и природопользования -2004 - с 1215

5 Лентяева Е А, Гурьев А П, Бегляров Д С Исследование модификаций конструкции водосбросного сооружения сифонного типа гидроузла Аль Синн // Проблемы экологической безопасности и природопользования Сборник материалов Международной научно-технической конференции/ Международная Академия экологической безопасности и природопользования -2005 -с 136-143

6 Лентяева Е А, Гурьев А П Конструкции сифонов для автоматического сброса воды // Вопросы мелиорации / - 2005 -№5-6 - с 94-95

7 Лентяева ЕА Определение коэффициента расхода сифонного водосброса // Вопросы мелиорации / - 2005 - №7-8 - с 80-83

8 Лентяева Е А , Гурьев А.П, Бегляров Д С , Беглярова Э С Определение времени зарядки низконапорного трубчатого сифона // Мелиорация и водное хозяйство/ - 2006 - № 4 - с 28-30

Рис 1 Расчетная схема трубчатого сифонного водосброса

и=6 4 мм/мин ----и=ЗММ/МИН и=1 Эмм/мин

— - - и=0,5 ММ/МИН — — \ЛЮ о ЗДстр 6 4ММ/МИН —"— \М;тр Змм/мин —*— \Л/Ьтр 1 Эмм/мин -»— \Лйтр О 5мм/мин

Рис 2 График зависимости с1Р=Г(1)

Рис 3 Совмещенные графики изменения объемов струи Wcтp=f(t) и выноса объема воздуха "№возд=ОД в трубе сифона

Московский государственный университет природообустройства (МГУП)

Зак. № Тираж -10 О

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ РЕШАЕМОГО ВОПРОСА.

1.1. Общие сведения.

1.2. Конструкция и расчет сифонных водосбросов.

1.3. Обзор построенных и запроектированных сифонных водосбросов.

1.4. Патентный поиск.

Актуальность проблемы. В настоящее время вопрос о реконструкции существующих прудов и малых водохранилищ, как в России, так и за рубежом, становится все актуальнее. С момента строительства на большинстве гидротехнических объектов не было проведено ремонтных работ, изменился климат, уровни обеспеченности расходов. По этим причинам существующие водосбросные сооружения пришли в упадок или не соответствуют требованиям по надежности, в связи с этим в настоящее время назрела необходимость произвести реконструкцию основных сооружений гидроузлов, в том числе водосбросных сооружений.

Одним из основных требований к процессу реконструкции является условие непрерывной эксплуатации сооружения без опорожнения водоема и жёсткие требования к качеству воды. Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет конструкция трубчатого сифонного водосброса, устройство которого можно осуществить не прекращая эксплуатацию малого гидроузла. Это обеспечивается укладкой водосбросных труб поверх гребня существующей плотины (дамбы).

В данных условиях эти водосбросные трубы будут работать по принципу сифона, поскольку при работе труб полным сечением верхний участок их будет расположен выше уровня, питающего эти трубы. Горло сифона для этой цели располагают на отметке нормального подпорного уровня.

Сифонные водосбросы широко используются в практике гидротехнического строительства для обеспечения автоматического подержания уровня верхнего бьефа в заданных пределах.

Традиционно применяемые сифонные водосбросы имеют прямоугольное поперечное сечение достаточно больших размеров. Зарядка сифона осуществляется отклонением нижней части струи, переливающейся через гребень входного сечения, к шелыге водопропускной трубы. За счет защемления воздуха струей в потолочной части, происходит быстрый вынос воздуха и зарядка сифона при небольшом подъеме УВБ (5-10 см).

Спецификой работы трубчатых сифонных водосбросов, являются незначительные параметры струи в нижней части при малых напорах на гребне входного сечения трубы и низкая эффективность создания вакуума при отжиме струи к верхней части трубы. Следствием этого является необходимость значительного подъема УВБ для зарядки трубчатого сифона. В этих условиях на первый план встает вопрос о времени его зарядки и о максимальной величине подъема УВБ, обеспечивающего работу сифона полным сечением.

Целью работы является научное обоснование и разработка методов расчета пропускной способности и режимов зарядки трубчатого сифонного водосброса, выполненного из стальных труб стандартного диаметра.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:

-произвести анализ и обобщение результатов предшествующих теоретических методик расчета и гидравлических исследований трубчатых сифонных водосбросов; -получить теоретические расчетные зависимости, позволяющие определить продолжительность переходных режимов работы сифонного водосброса; -осуществить экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при реконструкции гидроузлов;

-определить пропускную способность сифона при различных режимах работы;

-разработать рекомендации по совершенствованию конструкции сифонного водосброса.

Научная новизна работы заключается в следующем: -получены теоретических расчетных зависимостей для определения времени зарядки сифона;

-предложены теоретические зависимости пропускной способности сифона при наличии воздушного пространства в надструйном пространстве;

-установлены расчетные зависимости параметров струи при работе сифона в режиме водослива;

-получены экспериментальные данные для определения времени зарядки сифона;

-получены экспериментальные данные, позволяющие осуществлять гидравлические расчеты сифона в зависимости от уровней верхнего бьефа, вакуумного режима в трубе сифонного водосброса, изменения давления в сифоне в зависимости от уровня верхнего бьефа; -определены максимальные значения уровня верхнего бьефа в зависимости от скорости его подъема; -реализована качественная оценка влияния конструктивных параметров на пропускную способность сифона Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований и предложенные расчетные теоретические и экспериментальные зависимости позволят выполнять гидравлические расчеты трубчатых сифбнных водосбросов и их проектирование в широком диапазоне параметров малых гидроузлов.

Достоверность результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием протарированных приборов, средств измерения давлений и обработаны по современным методикам. Достоверность предложенных рекомендаций обоснована значительным объемом модельных исследований, определенным планированием эксперимента, с последующим их анализом.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции ("Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении".) Москва 2003г; на кафедре "Комплексное использования водных ресурсов" МГУП, 2004г., на Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи НТТМ

2004 (Москва, ВВЦ, 7-10 июля 2004 г.), на научно технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 20042005 г.г. По теме диссертации опубликовано 8 статей.

Результаты исследований сифонных водосбросов внедрены на объекте Аль Синн в Сирийской Арабской Республике.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, насчитывающего 74 наименований и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, иллюстрирована 84 рисунками, содержит 12 таблиц.

5.10. Выводы

Проведенный статистический анализ позволяет сделать заключение о достоверности экспериментальных данных и возможности применения полученных регрессионных выражений при расчетах трубчатых сифонных водосбросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Процессы, происходящие в трубчатых сифонных водосбросах весьма сложны и в настоящее время нет возможности аналитическим путем произвести расчеты режимов зарядки и включения сифона в работу. В доступной для изучения литературе приведены методики расчетов сифонных водосбросов уже находящихся в заряженном режиме.

Методик расчетов переходных режимов сифонных водосбросов в изученной литературе не приводится.

2. В диссертационной работе получены теоретических расчетные зависимости для определения гидравлических параметров трубчатых сифонных водосбросов, подтвержденные экспериментальными данными.

3. Экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при проектировании, строительстве и реконструкции речных гидроузлов основывается на:

-компактности сооружения; -автоматичности их включения; -чувствительности к повышению уровня; -большой надежности работы;

-возможности сооружения водосброса после введения в эксплуатацию глухой грунтовой плотины;

4. Экспериментальные исследования позволили получить зависимости для гидравлических расчетов сифонных водосбросов таких типов.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлена необходимость большой форсировки уровня верхнего бьефа для первичной зарядки сифона, которая возможна при минимальном напоре, равном 0,5D диаметра сифона в условиях стабильного состояния уровня верхнего бьефа.

6. Исследование зарядки сифона в условиях растущего уровня верхнего бьефа показали, что величина форсировки и время зарядки зависят от скорости подъема УВБ и достигает 0,7D диаметра сифона при скорости 6,4 мм/мин.

7. Рассмотренные в экспериментальных исследованиях модификации капюшона позволили разработать оптимальную конструкцию, которая может быть использована в проектной практике.

8. Изучено распределение вакуума по длине трубы водосброса. Установлено, что максимальный вакуум возникает во входном сечении. Максимальное значение вакуума зависит от уклона трубы и при 1=0,1 достигает величины 0,5 действующего напора сифона. Образования в нем вакуума. Полученные данные позволяют выполнить расчеты прочности и устойчивости оболочки сифона.

9. Предлагаемая конструкция концевого устройства сифона в виде ковша со стенками, расположенными на уровне шелыги выходного сечения, обеспечивает наиболее быстрое начало зарядки сифона.

10. До момента зарядки сифона ковш работает как водослив с переливом воды по всему периметру, после зарядки - как рассеивающий трамплин. Это обеспечивает благоприятные условия работы за счет резкого уменьшения удельных расходов в 5-8 раз.

1. Аверкиев А.Г. Новый метод гидравлики модельных исследований. ВНИИГ им. Веденеева. -JL: Энергия, 1952, 31 с.

2. Агроскин И.И., Гидравлика, 1934.

3. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М. -.: Энергия, 1064, 352 с.

4. Алабужуев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич JI.M., Шеховцев Б.А. Теория подобия размерностей, Моделирование, Издательство "Высшая школа", 1968.

5. Алиев Т.А. Прикладные исследования гидротехнических сооружений. -- М.: ЦБНТИ Водострой 1992, 258 с.

6. Бендат Д.Ж., Пирсов А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ.-М.: Мир, 1974,408с.

7. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. -М.: Стройиздат, 1972.

8. Воробьев А.С., Гурьев А.П., Серков B.C. и др. Пропускная способность водосбросов гидроэлектростанций. -М.: Энергия, 1974, 119с.

9. Вяземский О.В., К вопросу о проектировании и модельных исследованиях сифонных водосливов, Гидротехническое строительство", № 1,1938.

10. Ю.Гидравлика и гидрология. Под ред. Скиба М. М. Труды Новочеркасского инженерно-мелиоративного института, 1964, 300 с.11 .Гидравлика и гидротехника. Республиканский межведомственный научно-технический сборник № 7, Киев Техшка, 1968, 97 с.

11. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Векслер А.В., Войнич-Сяноженецкий Т.Г., Лапко Д.Д. и др. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1988, 624 с.

12. Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов. Под ред. Непорожнего П.С. — М.: Энергия, 1973.

13. Гидротехнические сооружения. Железняков Г.В., Ибад-заде Ю.А., Иванов П.Л. и др., под общей ред. Недрига В.А. М.: Стройиздат, 1983, 543 с. (Справочник проектировщика).

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

15. Гидроэнергетика. Обрезков В.И., Малинин Н.К., Кароль Л.А., и др. М.: Энергоиздат, 1981, 608 с.

16. Гмурман В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика, М.: Высшая школа, 1972.

17. Годин A.M. Статистика. М.: Издательско-торговая компания «Дашков и К0», 2003

18. Грановский Ю.В., Маркова Е.В., Адиен Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976,278 с.

19. Гришин П.П. Гидротехнические сооружения. М.: Госстройиздат. 1954, т.1, 500с.

20. Гришин П.П. Гидротехнические сооружения. М.: Госстройиздат. 1955, т.2, 488с.

21. Иванов Т.В. Сифонные водосбросы. -Ленинград: Гидроиздат, 1939,130 с.

22. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. М.:- Госэнергоиздат, 1952,316 с.

23. Избаш С.В. Основы лабораторного дела в гидравлике. M.-JL: Энергия, 1938,228с.

24. Испытание моделей сифонов Канакирской ГЭС и ЗАГЭС—материалы ГЭИ (в печати не опубликовано).31 .Испытание сифона ЗАГЭС в натуре — материалы Гидротехинститута (в печати не опубликовано).

25. Кавачини, Регулирование работы сифонных водосливов, „Гидротехническое строительство", № 10,1934.

26. Киселев JI.B. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Госэнергоиздат, 1961.

27. Курганов A.M., Дуготак С.М. Гидравлический расчет водопропускных сооружений. Киев: Госстройиздат, 1982,94 с.

28. Леви Н.И. Моделирование гидравлических явлений. М. Л.: Госэнергоиздат, 1960,235с.

29. Лятхер В.М., Прудовский A.M. Гидравлическое моделирование. М: Энергоатомиздат, 1984,390 с.

30. Мидлтон М.Р. Анализ статистических данных с использованием Microsoft Excel для Office ХР. М.: БИНОМ, 2005

31. Милович А .Я. Теория динамического взаимодействия тел и жидкости. -М.: Госстройиздат, 1935,311с.

32. Минько А.А. Статистический анализ в MS EXCEL.: М.: Издательский дом «Вильяме», 2004

33. Навоян Х.А. Примеры гидравлических расчетов водопропускных сооружений. -К.: Будивильник, 1975.41 .Новицкий П.В., Зограф И.Л. Оценка погрешности результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат, 1985,248 с.

34. Павловский Н. П., Гидравлический справочник, JL: ОНТИ,1937, 890 с.

35. Переяслова И.Г., Колбачев Е.Б. и др., Ростов Н/Д: «Феникс», 2003

36. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. М.: Финансы и статистика, 1985

37. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Часть Шрямые водосливы.Под ред. Чугаева Г.К. Л.:-Энергия, 1974, 57с.

38. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Часть II. Под ред. Чугаева Г.К. Л.:-Энергия, 1974.

39. Розанов Н.П., Бочкарев Я.В. и др. Гидротехнические сооружения. М.: -Агропромиздат, 1985,432 с.

40. Рушминский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. -М.: Наука, 1971,192 с.

41. Симаков Г.В. О сифонных водосбросах с максимальной пропускной способностью. -Труды ЛПИ, 1968, № 289.

42. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высокоскоростных гидротехнических сооружений. -М.: Энергия, 1979,331 с.

43. Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. Киселев П.Г. М.: Энергия, 1972,352 с.

44. Справочник по прикладной статистике.Т2./ Под ред. Э.Лойда, У.Ледермана. М.: Финансы и статистика, 1990.

45. Туманян В.И,. Гидравлика сифонных водосбросов. Ленинград: Госэнергоиздат, 1949,99 с.

46. Туманян В.И., Модельные исследования сифонного водосброса Канакирской гидростанции. „Гидротехническое строительство", № 1,1938.55.111арп Дж. Гидравлическое моделирование. -.: Мир, 1984, 280 с.

47. Шефе Г. Дисперсионный анализ. М.:Наука, 1980

48. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергия, 1991, 639 с.

49. Штеренлихт Д.В., Алышев В.м., Яковлева Л.В. Гидравлические расчеты. -М.: Колос, 1992,287 с.

50. Bakhmeteff В.А., Tests of Brood Crested Weirs by J. Woodburn, Transactions ASCE, v. 96,1932, p. 430.

51. COR WIN F.G. and KIDDER A.W., Результаты испытания сифонных водосбросов для больших каналов, "Engineering News Record", May 1932.

52. DE MARCHIE, Экспериментальные исследования автоматически сифонных водосбросов, "L'Energia Electrica", № 6,1929.

53. DE MARCHIE, Экспериментальные исследования автоматических сифонных водосбросов, "L'Energia Electrica", октябрь, ноябрь 1931.

54. DRIOLIK. Испытания автоматических сифонов, июнь 1932, "L'Energia Electrica".

55. KAMMULER, Работа, расчет и конструкция сифонов с большой высотой действия, "Der Bauingenieur", 1929, Н. И.

56. KAMMULER, Сифонный водосброс при земляной плотине, "Wasserkaft and Wasserwirstchaft", № 3,1927.

57. Marchetti, „L'Energia Elettrica", Oct., Nov. 1931. 53.Nelidov I.M., Proceedings1. ASCE,v. 71, №3,1945.

58. S t i к n e у, Proceedings ASCE, Febr. 1922, p. 175—194.

59. SCHIMEMI, Отдача саморегулирующих сифонов (коэффициент расхода),

60. Electrotechnica", № 13,1928. 69.SCHNEIDER W., Испытания моделей сифонов, Modellversuche uber die Zweckmassigste Gestaltung einzelner Bauwerke, 1923.

61. SCHOKLITSCH А. О сифонных водосбросах, "Wasserbau", 1930. 71.Sifoni autolivellatori —материалы итальянской консультации.

62. Гидроэлектропроекта, Милан, 1934 (не опубликовано). 72.SMRCEK А., Сифонные водосбросы из статьи "Modellver suche uber Einrichtung zur kegulierung des Uberialls und Bewaltigung der Hochwasser bei Talsperren. Zweite Weltkraitkonferenz", 1930.

63. WEGMANN, Сифоны, The desighn and Construction of Dams.

64. HEYNF., Работа и конструкция автоматических сифонов, "Der Bauingenieur", 1929, p. 41.