автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Научное обоснование параметров крепления земляных каналов в нижних бьефах регулирующих сооружений с открылками и перепускными отверстиями в устоях

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Г1РИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

БУКОФТЛН МОХАМЕД ФАТЕХ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПЛЕНИЯ

ЗЕМЛЯНЫХ КАНАЛОВ В НИЖНИХ БЬЕФАХ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ С ОТКРЫЛКАМИ И ПЕРЕПУСКНЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ В УСТОЯХ.

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки

РФ,доктор технических наук, профессор Румянцев И.С.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение • 2

Глава 1. Основные результаты изучения существующего опыта использования принципа соударения струй для гашения избыточной энергии потока в нижних бьефах водопропускных сооружений 6

1.1. Конструкции водопропускных сооружений, использующих принцип соударения струй в водной среде в целях интенсификации процесса гашения избыточной кинетической энергии потока. 6

1.2. Гидравлические условия работы водопропускных сооружений, использующих эффект соударения струй в водной среде. 16

1.3. Перспективные предложения, определение параметров крепления дна земляных каналов в нижних бьефах регулирующих сооружений с открылками и перепускными отверстиями в устоях. 27

1.4. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследований. 29

Глава 2. Методика модельных гидравлических исследований регуляторов с трапецеидальными открылками и перепускными отверстиями в устоях. 32

2.1. Общие вопросы моделирования гидравлических явлений, имеющих место при работе регуляторов с открылками. 32

2.2. Экспериментальная установка. 35

2.3. Измерительная аппаратура. 37

2.4. Оценка точности измерений, осуществлявшихся в процессе проведения исследований. 38

2.5. Модель шлюза-регулятора. 39

Глава 3. Обсуждение результатов исследований гидравлических условий работы нижних бьефов регулирующих сооружений с открылками и перепускными отверстиями в устоях. 42

3.1. Кинематическая структура потоков в нижних бьефах регулирующих сооружений при пропуске различных расходов. 42

3.2. Плановые картины течения при различных схемах маневрирования основным затвором, перепускными отверстиями и переливом через открылки в нижних бьефах. 72

3.3. Изменение осредненной придонной скорости вдоль участка сопряжения. 82

3.4. Выводы по главе 3. 86 Глава 4. Переформирование дна за регуляторами с трапецеидальными открылками и перепускными отверстиями

в устоях. 88

4.1. Методы определения размывающей способности потока в нижнем бьефе регулятора. 88

4.2. Методика экспериментальных исследований. 89

4.3. Параметры, влияющие на ход процесса образования воронки местного размыва и вид расчетных зависимостей для прогноза глубины последней. 92

4.4. Выводы по главе 4. 107 Заключение Ю9 Литература 112

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Оъ - расход, пропускаемый через основной (центральный

пролет регулятора);

(2отах - максимальный расход, пропускаемый через основной пролет регулятора;

<2„ - присоединяемый расход, протекающий либо через боковые

отверстия, либо переливом через открылки; у - удельный вес воды; р - плотность грунта;

- удельный расход, пропускаемый через основной пролет регулятора;

- удельный расход, протекающий через боковые отверстия в

устоях или переливом через открылки; Усж - средняя скорость в сжатом сечении; У2 - средняя скорость в канале; Уд - осредненная придонная скорость;

УДдоп - донная допускаемая (неразмываемая) скорость на высоте

выступов эквивалентной шероховатости; Т7^ - число Фруда в сжатом сечении;

Н2 - первая и вторая сопряженные глубины в сжатом сечении;

кр - глубина в фокусе воронки местного размыва;

ккр - критическая глубина;

В - ширина канала по урезу воды; В1 - ширина пролета шлюза-регулятора;

Ь - ширина канала по дну;

/кр - полная длина водобоя;.

1р - расстояние от конца крепления до створа с максимальной глубиной размыва (до фокуса размыва).

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В связи с выполнением широкой программы комплексного использования водных ресурсов и освоения новых земель Алжирской Народной Демократической республики, в этой стране осуществляется последовательная реализация планов развития различных отраслей водного хозяйства.

Одним из важнейших этапов этой программы является создание современных мелиоративных систем, а также возведение их водопропускных сооружений различного назначения. Стоимость последних может достигать 25% общей стоимости этих систем. Задача создания экономичных и надежных в эксплуатации водопропускных сооружений, продолжительность работы которых составляет от нескольких суток до десятков лет за весь период эксплуатации водохозяйственной системы, находит свое решение в рационализации конструкций и гидравлических режимов работы последних.

Для нормальной безаварийной работы таких сооружений важно иметь рационально запроектированные и выполненные конструкции их нижнего бьефа, обеспечивающие благоприятный режим гидравлических условий работы последних. Они должны исключать или сводить к минимуму пространственные течения при маневрировании затворами; эффективно гасить избыточную кинетическую энергию потока и не допускать опасных местных размывов, а также воспринимать большие динамические нагрузки потока. В настоящее время предложен ряд конструктивных решений, обеспечивающих гашение энергии сбросного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений с помощью колодцев призматического и непризматического сечений и с применением различных типов гасителей энергии. В то же время такая система гашения сопряжена с выполнением дополнительных бетонных работ, повышением стоимости строительства. Кроме того, разрушение одного из

элементов этих гасителей может привести к разрушению всего водобойного колодца, что повлечет за собой необходимость проведения весьма дорогостоящих восстановительных работ.

В последние годы предложен ряд конструктивных решений, обеспечивающих гашение энергии сбросного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений с помощью взаимодействующих соударяющихся потоков. Ряд существующих конструкций, созданных для гашения энергии, обладая своими недостатками и преимуществами, не является универсальным и может быть использован лишь в определенном диапазоне параметров гидротехнических сооружений. При проектировании водопропускных сооружений необходимо находить такие технические решения конструкций нижнего бьефа, которые обеспечивали бы гашение энергии на более коротком участке, а также характеризовались бы значительным плановым растеканием сбросного потока при минимальных удельных расходах, поступающих в нижний бьеф.

Следует отметить, что в Алжире наличие плодородных земель приурочено к речным долинам; рельеф же страны носит довольно гористый характер и на ее оросительных системах требуется осуществить возведение большого количества регулирующих водопропускных сооружений со значительными удельными расходами, которые необходимо сопрягать с широкими каналами. Поэтому сокращение размеров их колодцев может дать существенный экономический эффект.

Целью работы являлась разработка рекомендации по расчетному обоснованию к проектированию креплений дна и откосов канала за рассматриваемыми регуляторами.

Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:

- провести экспериментальное изучение гидравлических условий работы трапецеидальных каналов в нижних бьефах за регулирующими сооружениями с открылками и перепускными отверстиями;

- определить параметры креплений дна при разных открытиях основного затвора, а также затворов перепускных отверстий в условиях разных открытий основного затвора и при переливах расходов через открылки;

- исследовать закономерности эволюции поверхности дна размывающего отводящего трапецеидального канала в условиях работы только основного отверстия сооружения, этого же отверстия вместе с перепускными отверстиями, а также с переливом через открылки.

Научная новизна и практическая ценность работы. В

результате проведения исследований поставленных задач настоящей работы получены следующие результаты:

- изучена кинематическая структура потока за регулятором с перепускными отверстиями в устоях и открылками при различных режимах сброса расходов;

установлены закономерности влияния на пропускную способность шлюза-регулятора с открылками и с перепускными отверстиями в устоях глубина нижнего бьефа и других характеристик течения;

- обнаружены основные закономерности характера изменения осредненной придонной скорости вдоль отвод, ящего канала при разных схемах сбросов, получены графики для определения осредненной придонной скорости по длине канала и за ними и для определения длины крепления;

изучены закономерности эволюции поверхности дна отводящего канала-регулятора в условиях работы только основного отверстия шлюза-регулятора, этого же отверстия вместе с перепускными отверстиями, а также с переливом через открылки;

- установлены рекомендации по расчетному обоснованию к проектированию креплений дна и откосов канала за рассматриваемыми регуляторами и режим сброса расходов при различных маневрированиях.

Достоверность основных научных результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, подтверждена тем, что исследования автора были спланированы и осуществлены с использованием современных и апробированных методов моделирования гидротехнических сооружений, а также обработки и интерпретации полученных опытных данных. Подтверждением достоверности также служит совпадение этих данных с аналогичными данными других авторов.

Апробация полученных результатов и практической ценности. Результаты экспериментальных исследований, полученные в диссертационной работе, позволяют рассчитать и запроектировать шлюзы-регуляторы рассматриваемой конструкции более надежными, снизить их стоимость, а в ряде случаев улучшить экологическую обстановку в нижнем бьефе за регулятором. Применение их в практике будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в гидротехническом строительстве, в том числе и в Алжире.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертация изложена на ±Ы страницах, иллюстрирована 59 рисунками. Список использованной литературы насчитывает 111 наименований, из них 15 - иностранных.

Глава 1. Основные результаты изучения существующего опыта использования принципа соударения струй для гашения избыточной энергии потока в нижних бьефах водопропускных сооружений

1.1. Конструкции водопропускных соружений, использующих принцип соударения струй в водной среде в целях интенсификации процесса гашения избыточной кинетической энергии потока

Задача сопряжения бьефов является одной из основных проблем современной гидротехники, нуждающейся в тщательном изучении. В силу сложившихся традиций и приобретенного практического опыта строительства ниболее часто используют схему сопряжения с различными видами гидравлического прыжка - донного, поверхностного, подпертого и др. [1, 4-11, 29, 47-51, 56, 57, 71, 95, 96]. Эта схема сопряжения достаточно эффективна и обеспечивает как гашение избыточной энергии потока, прошедшего через водопропускное сооружение, так и равномерное распределение скоростей в нижнем бьефе в условиях симметричного сброса и неярко выраженной картины сопряжения и пространственного растекания. При несимметричных сбросах и гашении с помощью гидравлического прыжка условия резко меняются; возникают сбойные течения и плановые водовороты, натекание масс жидкости на транзитную струю, нарушается равномерность распределения скоростей в плане и т.п. Отмеченные явления как правило сопровождаются ростом гидродинамических нагрузок на элементы крепления, а также усилением пульсации скоростей и увеличением местных размывов последнего.

Отмеченное привело к тому, что гидротехники на протяжении последних трех десятилетий стали все чаще обращаться либо к другим

схемам сопряжения, либо к специальным конструктивным мероприятиям, направленным на улучшение условий сопряжения бьефов и уменьшение параметров местного размыва. В качестве других схем сопряжения использовали отброс струи, соударение струй, гидравлическое "экранирование" и т.п. В качестве других конструктивных мероприятий в последние десятилетия стали широко применять: различные типы гасителей - от ударных до расщепляющих; наклонные и "горбатые" водобои, вытянутые бычки, и т.п.; присоединение к транзитной струе некоторого, подводимого извне, дополнительного расхода [2, 68, 83]. Исследования последнего мероприятия показали, что при присоединении дополнительных расходов имеет место интенсификация турбулентного перемешивания в пределах прыжковой зоны, приводящая к более эффективному гашению избыточной энергии потока. Одновременно было выяснено, что при использовании подобной схемы гашения улучшение гидравлических условий работы нижнего бьефа имеет место лишь при низких и средних напорах. На рис. 1.1 представлены некоторые варианты таких конструкций. Так, например, схема "а" представляет собой водосброс, в котором используется соударение струй и "экранирование", схема "б" - соударение в воздухе; схема "в" -реактивное гашение с помощью гасителя ударного действия, сопровождаемое интенсивным соударением; схема "г" - реактивное гашение группой наклонных забральных балок; схемы "д" и "е" -соударение с использованием щелевых наклонных граней; схемы "ж"-

II п

о - соударение струй в водной среде.

Проведенный нами анализ показал, что среди подобных конструкций следует различать:

- технические решения, которые обеспечивают соударение потоков в пределах водобоя, представляющего собой массивную водобойную плиту;

УдВ

а)

УЬЬ

6)

Рис. 1.1. Схемы водопропускных сооружений, в конструкции

которых используется соударение струй:

а, б - водосбросы с соударением струй в воздухе;

в, г - гасители ударного действия с соударением струй;

д, е - водосбросы с щелевыми выпусками;

ж, з, и, к, л, м, н, о - водосбросы с соударением струй в

водной среде

Рис, 1.1. (продолжение)

- технические решения, предполагающие, что соударение будет осуществлено либо непосредственно в воздушной среде, либо на поверхности воды [87, 90, 70, 93, 105, 106].

В случае реализации схемы с соударением в зоне сливной грани обычно применяется развитый водосливной оголовок. На практике такая схема не получила распространения из-за того, что она не давала никаких существенных преимуществ в части изменения удельных расходов при ощутимых напорах. Единственное направление возможного использования такой схемы - водопропускные сооружения с малыми напорами.

Более перспективной оказалась схема сопряжения с соударением струй в зоне водобоя [7]. Здесь была реализована идея отбора части расходов до или в начале сооружения с последующим присоединением последних к потоку на водобое. Различают ряд схем такого присоединения: восходящее (снизу-вверх); нисходящее (сверху-вниз); встречное, боковое. В качестве примера встречного присоединения и гашения можно привести водопропускное сооружение В.Е.Ануфриева (рис. 1.2), которое имеет два сбросных тракта: водосливной и сифонный. Сифоны обычно бывают размещены в бычках. Часть расхода пропускается переливом через водослив, а часть - через сифон. Концевое сечение последних представляет собой щелевидное отверстие, находящееся в пороге водобоя. Включая сифон в работу с помощью вакуум-насоса, создают встречный поток от порога навстречу течению, который способствует повышению эффективности гашения избыточной энергии. Необходимо отметить, что схема, предложенная В.Е.Ануфриевым, достаточно сложна. Видимо, это послужило причиной того, что она не была внедрена в практику [12, 39].

Другим примером является водопропускное сооружение М.Э.Факторовича, в котором использована восходящая схема соударения (рис. 1.3). Предложенное им сооружение представляет

Рис. 1.2. Водопропускное сооружение со встречным гашением энергии В.Е.Ануфриева:

1 - водосливная плотина, 2 - трубчатый сифон, 3 - от вакуум-насоса, 4 - трубка для впуска воздуха, 5 - водобой, 6 -отверстие для встречного выпуска воды

иь б

Рис. 1.3. Схема водопропускного сооружения М.Э.Факто-ровича:

1 - водослив, 2 - восходящий выпуск, 3 - прыжок на водобое

собой также водосливной порог с водобойной плитой, в которой имеется щелевой выпуск [88]. Эта конструкция также не получила распространения в производственной практике. Среди причин, приведших к этому, называют проблемы устройства выпускных водоводов выпуска в довольно тонкой плите водобоя [5, 12, 88].

Развитие идеи встречного присоединения части расхода было осуществлено С.И.Игнатенко, предложившего схему "гасителя-пр�