автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обобщение опыта исследований и эксплуатации открытых нерегулируемых водосбросов веерного типа

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПЩРАШИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

РАБОТЫ ВЕЕРНЫХ (МЕКСИКАНСКИХ) ВОДОСБРОСОВ

1.1. Веерообразные водосбросы . Ю

1.2. Анализ работ, посвященных гидравлике фронтальных входных порогов практического профиля, имеющих относительно небольшую высоту

1.3. Результаты исследований движения потока через криволинейные в плане водосливные пороги практического профиля.

Актуальность работы» В решениях второго съезда Коммунистической партии Кубы уделено значительное место перспективам развития мелиорации земель - мощному средству интенсификации ее сельскохозяйственного производства. Более четверти века насчитывает первое социалистическое государство в Латинской Америке, и практически все это время идет целеустремленная работа по развитию ее сельского хозяйства. За эти годы совместными усилиями кубинских и советских специалистов создана новая отрасль народного хозяйства Республики Куба - ее водное хозяйство. Лишь с помощью этой отрасли удается преодолеть характерную особенность климата острова Свободы - крайне неравномерное распределение осадков в течение года (на Кубе два времени года: влажный период, когда выпадает 85 . 35% осадков, и сухой период, когда большая часть рек пересыхает и многие растения страдают от дефицита воды) . Большинство сельскохозяйственных культур, возделываемых на Кубе, могут успешно произрастать и повышать урожайность лишь на поливных землях (сахарный тростник, рис, табак, кукуруза, фасоль, горох, овощные культуры и т.д.). Главным водоисточником орошения на Кубе являются искусственные водохранилища речных гидроузлов, полный объем которых за годы плодотворного кубинско-советского сотрудничества увеличился в 143 раза. В перспективе число этих водохранилищ должно достигнуть 470, а их суммарный объем - 14,5 миллиардов кубометров.

Характерной особенностью уже существующих, строящихся и проектируемых гидроузлов Кубы является наличие в составе компоновок их основных сооружений нерегулируемых открытых береговых водосбросов большой пропускной способности, что объясняется весьма интенсивным характером ливневых паводков на реках Кубы и их большими расходами. Опыт проектирования и строительства показал, что наиболее полно существующим особенностям гидрологии, геологии оснований, топографии створов и условий эксплуатации в рассматриваемом регионе отвечают веерные (мексиканские) водосбросы. Однако использовавшаяся ранее методология их расчетного обоснования имеет большое количество недостатков, главными из которых являются недостатки применявшихся гидравлических расчетов. В связи со всем этим решение задач совершенствования методов расчета и проектирования веерных водосбросов является в настоящее время весьма актуальным как для условий Кубы, так и для других регионов мира, реки которых имеют интенсивно нарастающие ливневые паводки с большими расходами.

Цель работы - разработка метода расчета веерных(мексиканских) водосбросов на основе детального учета всех факторов, влияющих на гидравлические условия их работы.

Достижение поставленной цели возможно после решения следующих задач:

1. Получения относительных координат пространственной струи, переливающейся через трехрадиусный в плане криволинейный водослив с тонкой стенкой.

2. Изучения основных закономерностей процесса перелива воды через водосливной порог головной части веерного водосброса.

3. Исследования гидравлических условий работы участка сопряжения бьефов за криволинейным в плане головным водосливным порогом, а также переходного участка веерного водосброса.

4. Проведения исследований гидравлики потока на быстроточном участке веерного водосброса при различных его уклонах.

Научная новизна работы.

В работе впервые:

- собраны и проанализированы материалы по конструкциям, основным особенностям проектирования и расчетного обоснования веерных водосбросов, выявлены их достоинства и недостатки, сформулированы на этой основе требования, которые должны удовлетворять предлагаемые новые методы расчетов этих водосбросов;

- изучен характер и закономерности перелива струи через криволинейный в плане водослив с тонкой стенкой веерного водосброса, получены данные, позволившие разработать таблицы и расчетные зависимости для определения относительных координат сечений таких водосливных порогов; получены данные по изменению пропускной способности водосливов с тонкой стенкой, очерченных в плане по координатам порога веерного водосброса;

- выполнены исследования закономерностей изменения коэффициента расхода водослива веерного водосброса, построенного по предлагаемым координатам;

- исследован характер распределения давлений по поверхности профиля водослива веерного водосброса;

- изучен характер изменения коэффициента скорости в зоне водосливного порога веерного водосброса, построенного по предлагаемым координатам;

- исследованы гидравлические режимы сопряжения бьефов за криволинейным водосливом и на основе полученных экспериментальных данных получены два метода установления рациональной отметки дна водобойной чаш, разработана программа для ЭВМ, позволяющая быстро проводить такие расчеты;

- получены данные об изменении коэффициента подтопления водослива головной части веерного водосброса;

- исследован характер изменения относительных осевых глубин на переходном и быстроточном участках веерных водосбросов (с вертикальными и наклонными стенками).

Практическая ценность работы.

Предложенные в работе методы расчетов веерных водосбросов позволяют повысить их надежность работы, улучшить эксплуатационные показатели, облегчить процесс проектирования. На основе результатов проведенных в рамках настоящей работы исследований представляется возможным осуществить весь комплекс гидравлических расчетов веерных водосбросов, исключив необходимость прибегать к интуитивным предположениям, повысив глубину обоснования и научной аргументации при назначении окончательных размеров конструктивных элементов водосбросов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научных конференциях МГМИ (1983 . 1984 г.г.), на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений МГМИ, на конференциях специалистов Института водного хозяйства Республики Куба.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в практику проектирования веерных водосбросов в Институте водного хозяйства Республики Куба и использованы при выполнении проектных проработок по конкретным гидроузлам.

По теме диссертации опубликованы две статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов. Работа изложена на стр. машинописного

ОСНОВНЫЙ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ проектов и итогов эксплуатации построенных веерных водосбросов показал, что их конструкция весьма надежна и достаточно рациональна для условий речных гидроузлов на реках с интенсивными ливневыми паводками. Однако существующие методы расчетного обоснования этих водосбросов носили до настоящего времени весьма приближенный характер и не учитывали многих влияющих факторов. При расчете координат веерного водосливного порога не учитывалась его плановая кривизна и относительный скоростной напор в подводящем канале. Не учитывалась пространственная работа водослива при оценке его пропускной способности и условий гашения в области водобойной чаши. На всех участках за водосливом поток рассматривался как призматический.

2. Изучение различных способов построения координат фронтальных прямых, кольцевых и других криволинейных в плане водосбросов показало на необходимость учета фактора влияния скорости подхода к водосливам, который особенно сильно отражается на местоположений в вертикальной плоскости кривой восходящей ветви профиля водослива. В итоге водосливы, координаты которых не учитывают влияние скорости подхода СВ.Кригера, В.Кригера-А.С.Офицеров») имеют более полный профиль за счет более крутой траектории восходящей ветви кривой безразмерных координат, а водосливы, построенные по учитывающим скорость подхода (Дж.Варнока, Бюро мелиорации, веерные водосбросы по нашим координатам), имеют более короткую и более пологую траекторию восходящей -ветви и более обжатый, но вполне устойчивый профиль.

3. Выполненные нами исследования позволили установить, что веерные водосливные пороги рассматриваемых водосбросов целесообразно проектировать по координатам профиля осевого сечения их центральной плановой арки. Получены экспериментальные кривые и аппроксимирующие их уравнения, позволяющие установить местоположение начала отсчета таких координат в различных сечениях водослива. Уравнения приведены в безразмерном виде (уравнения (3.4;. . (3.5)). Предложены два метода построения профиля веерного водослива - табличный (таблицы 3.2 и 3.3) и аналитический - формула (3.8; и вспомогательные графики (рис. 3.11).

4. Получены экспериментальные данные, позволяющие объективно определить пропускную способность веерного водослива практического профиля и с тонкой стенкой (рис. 4.2 и 4.3). Установлено, что водосливы, построенные по предлагаемым в настоящей работе координатам, имеют существенно большую пропускную способность, чем такие же водосливы, построенные по координатам В.Кригера. Полученные графики и таблицы, позволяющие определить коэффициент расхода веерных водосбросов предлагаемого профиля, профиля В.Кригера, а также оценить пропускную способность предложенных водосливов при напорах, отличных от профилирующего. Полученные данные сопоставлены с результатами других исследователей. Рассмотрен характер распределения давлений по поверхности профиля водослива веерного водосброса.

5. Получены экспериментальные данные о характере изменения коэффициента скорости ¥ ="МР/Но) ^рис. 5.2). Получены данные об изменении относительного подтопления веерного водослива. Предложены два метода установления рациональной отметки дна водобойной чаши за веерным водосливом, отвечающей условию предельно допустимого затопления последнего.

По первому способу методом иттераций совместно решаются уравнения (5.10) и (5.20). Для ускорения расчетов составлены программы для ЭВМ на языке Фортран. По второму методу определение местоположения дна водобойной чаши осуществляется с помощью полученных экспериментальных кривых Ьгт/Ькр= (Ьк/Р^ и

ЬксЛ^ (Ь/Рт) с проверкой выполнения условия ^5.27К Использование второго метода позволяет одновременно находить и глубины в контрольном сечении.

6. Получены данные об изменении относительных осевых глубин на переходном и быстроточном участках в зависимости от относительной высоты водослива головной части, местоположения рассматриваемого сечения потока и уклона быстротока. Приводятся графики и таблицы, позволяющие быстро определить искомые глубины на рассматриваемых участках веерных водосбросов.

1. К. Vega Pérez. Evolution of fan Spillways i® México 12 congress C1.B. México, vol IV 1976, p 799-806.

2. S.Ulloa Ortiz, Aliviadero de abanico, Construcciones Hidrotécni cas en México oct. nov Mexico 1956.

3. W.P.Creager, I.D. Justin, J. Hinds, Engineering for Dams vol II Edición Revolucionaria I.C.L. Habana, 1971 P 618.

4. С.М.Слисский, Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. "Энергия", M., 1979, стр. 335.

5. В.Т.Чоу. Гидравлика открытых потоков. "Стройиздат", M., 1969, стр. 460.

6. Presas Construidas ей México, Editorial tesis Resendiz, México 1976 p. 582.

7. А.С.Офицеров. Гидравлика водослива. 1938, с. 70 . 196.

8. А.С.Офицеров. Профиль водосливных плотин. "Энергоиздат", ОНТИ, M., 1934, с. 7 . 66.

9. J2* H. Rouse L Reid. Model research oil Spillway Crests, Civil En gineering, vol 5 No 1, 1935 P ^7 •••• 51«

10. А.Гибсон. Гидравлика и ее приложения. ОНТИ, 1934, с.

11. E. Lazzari. Hicerca sperimentale sullo sfioratore a planta circulare L'Energia Elefctrica. Nov 1954 p 838 . 849.

12. А.И.Севко. К расчету шахтных водосбросов. Изд. Военно-инженерной академии РККА, М., 1938, стр.

13. А.Н.Ахутин. Шахтные водосливы. "Гидротехническое строительство", Ш 6, 1936.

14. Н.И.Романько. К расчету водосброса шахтного типа. "Гидротехнические сооружения", lh 4, 1963, с. 44 . 46.

15. П.П.Мойс. Масштабные поправки к коэффициенту расхода круговых в плане водосливных воронок. Сборник трудов МЙСХ, 1964, 46.

16. П.П.Мойс. Шахтные водосбросы. "Энергия", М., 1970.

17. И.С.Румянцев. Некоторые вопросы гидравлики открытых береговых водосбросов мексиканского типа. Труды ММ, 58, М., 1978,с. 139 . 149.

18. П.К.Киселев. Справочник по гидравлическим расчетам. "Энергия", М., 1974.

19. С.П.Лаврентьев. Влияние условий входа воды в шахтный водосброс на режим его работы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1984, с.23.

20. H.JI.Ролле. К вопросу о выборе типа входной воронки шахтного водосброса. Труды ЛПИ, ГаИ, tè 2, 1950.

21. Н.Л.Ролле. 0 коэффициенте расхода шахтнах водосбросов."Гидротехническое строительство? № 6, 1949.

22. F.l'l. Blaisdell, Equation of the free-falling nappe, Proc. ASCE, aug. 1954- P 482. 1.482-16.

23. K.W. Kirkpatrick, Discharge coefficients for Spillways at T.W. A. Dams, proc. ASCE feb. 1955 p 626-1. 626-2.

24. Веласко Дейвис Эдуардо. Исследования траншейных водосбросов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГШ, М., 1977, 23 с.

25. И.И.Леш. Моделирование гидравлических явлений. М., "Энергия", 1967, с.232.

26. В.М.Ляткер, А.М.Прудовский. Гидравлическое моделирование. "Энергоатомиздат", M., 1984, с.390.

27. Р.С.Гунтер, Б.В.Овгинский. Элементы численного анализа и систематической обработки результатов опыта. "Физматгиз", М., 1962, с. 355.

28. Scimemi, Sulla forma della vene tracumenti L'Energia Elletri сa n 4 19ЗО.

29. Гидротехнические сооружения. Под редакцией Н.П.Розанова. "Стройиздат", М., 1978, с.647.

30. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов, часть I, прямые водосливы. "Энергия? Л.о., 1974, с.57.

31. Дж.Дейли, Д.Харлеман. Механика жидкостей. "Энергия", М., 1971, с.467.

32. Х.Рауз. Механика жидкости для инженеров-гидротехников. ГЭИ, М.-Л., 1958, с.367.

33. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Часть I. Прямые водосливы. "Энергия", Л.О., 1974, с. 57.

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

35. Н.Н.Белякеский, И.И.Калантыренко, Н.Г.Пивовар. Расчеты нижнего бьефа за водосбросными сооружениями на нескальных основаниях. "Наукова думка", Киев, 1973, с.290.

36. Л.И.Высоцкий. Управление бурными потоками на водосбросах. "Энергия",М., 1977, с.

37. Proc feb. 1948 vol 9 p. 165.

38. И.О. Boughton Discussion of paper velocity of approach fa—. ctors inutmified weirs aquations by Engel Б1. V. and Stainsby W.

39. The Institution af civil engineers Proc. august 1958 vol 10 p. 581582.

40. H.L. Llppal Discusión of paper (55)*

41. The Institution of civil engineers Proc. august 1958 vol 10 p. 583-584.

42. Investigation in the design of trimmmu weir to obtein the— profile with, maximum coefficient discharge. Annual Report -ot Punjab Irrigation Research Institute for year ending april 1938 p. 88.95.

43. II.L.Uppal, Weir coefficient Govt. Indian

44. F.V .A. Engel And Vj. Stainsby, Weirs for flow measurement in open channels water and water engineering vol 62, 1958.

45. C.E. Kindsvater and R/W. carter, Discharge characteristics of Rectangular thin-plate wcirá, journal of the tlydraulies dision. Proc. a3GE dec. 1957 paper 1453.

46. R.B. Jansen. Plow characteristics on the OGEE Spillway, Jour nal of the hydraulies Division, Proc. of the A.3.G.E. dec.— 1957 paper 14-52.

47. E.b". Schoder and K.B. Turner, Precise weirs meaurements, trail sactions АЗСЕ vol 93 1929 p. 999-Ш0.

48. JI. Basin, Experiences nouvelles sur l'ecoulement en desersoir. Annales des ponts et chaussees. October 1888 p 393.

49. Discussion by th Rchbock of. Precise weir meusurements by--

50. Grnest У. .Schoder and K.B. Turner.

51. Transactions, A3GE vol 93 1929 p. 1148.

52. S6. E.J. Sarginson. The influence of surface tensión on weir flow, Journal of hydraulics Rosearen. I.A.II.R. vol 10 Wo 4 p. 4J1.446 Deli 1972.

53. II.U. King. "Handbook of hydraulics for the solution of hydraulic problems. Lond. 1954»

54. C.V. Davis. Handbook of applied hydraulics 2nd ed Lond. 1952. 69t J. Allen. .Scale models in hydraulic engineering London 19^7p. 67 78.

55. S. Leliavsky. Irrigation and hydraulic design vol 2 p. 416 . 446 1957.

56. A.H. Jameson. Flow over sharp adged weirs. Effect of thichness of crest. Journal of the Institution of civil engineers nov. 1948 p. 36

57. F.V. Engel and 17. Stainsby. l/eirs fot flow measurement in — open channels.

58. Part. 1. On coefficients and velocity of approach p. 142.146. Part. 2. Lischarge coefficient characteristics based on prin cities of fluid dynamics p. 190.197« Water and water engineering, april and may 1958*

59. Velasco, R. Santos. El diseño hidráulico, teorico y experi mental de aliviaderos con cimacio do palnta desarrollada curvi linea en la República de Cuba. Su optimización técnico-econó mica HICONS Habana,1982.

60. E. Alegret, R. Santos. S. Egorshin. Informe aliviadero paso malo, archivo DIH Instituto Hidroeconomía, Habana 1968.75* E. Alegret. ü. Rivero- Informe aliviadero I\Tipe, archivo DIH Instituto de Hidroeconomía, Habana 1969«

61. E. Alegret. К. Santos. Informe aliviadero Canasta, Archivo DIH Instituto de Hidroeconomía Habana 1974.

62. E. Alegret, A.jtorto. Informe aliviadero El Punto. Archivo DIH Instituto de Hidroeconomía, Habana 1974.

63. E. Alegret. Informe aliviadero .Jimagua^a, Archivo DIH Instituto de Hidroeconomía, Habana 1972.

64. E. Alegret. R. Santos. Informe aliviadero Pipián,Archivo DIH Instituto de Hidi-oeconomía habana 1974.

65. E. Alegret. Informe aliviadero Jaíbu. Archivo DIH Instituto 'de Hidroeconomía Habana 1976.

66. A. Mortillaro. Informo aliviadero La Coronela, Archivo DIH Instituto de Hidroeconomía Habana 1973»

67. A.Porto. 11.Santos Aliviaderos de smmiabanico, Voluntad Hidráu liea No 41 Habana 1977.

68. R.Santos. Informe aliviadero Los Maceos, Archivo DIH Institu to de Hidroeconomía Habana 1982.

69. R.Santos. Informe aliviadero El Salto. Archivo DIJI Instituto de Hidroeconomía Habana 1972

70. C.Scherle, Informe aliviadero I-lamposton. Archivo DIH Instituto de Hidroeconomía Habana 1972.

71. L.Cadavid, D.Vega, Investigaciones del aliviadero en abanico para C.H. Melonesip Diploma ISCAH, Habana 197S.

72. A.Porton. Derter•ainación del gasto transformado para aliviaderos mejicanos, Voluntad Hidráulica No 36 Habana 1973*

73. J.Fariñas. Informe aliviadero Pinilios,archivo DIH Institutode Hidroeconomía Habana 1978«

74. О.Рахматулла "Водосбросы низконапорных гидроузлов". Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИСИ, 1984.

75. БЛОК-СХЕМ ПРОГРАММЫ С1МАС10

76. БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ CIMACIO ^Продолжение;1. ПШСЖЕНИЕ I.программа для эвм

77. SUBROUTINE INTER С С/ НИ* CMIN> СМАК > DOUBLE PRECISION A 20 > I МАТРИЦА CflV

78. DOUBLE PRECISION E < ) DOUBLE PRECISION H < 2ii > REAL С С £3 J INTESER NN/N REAL CMIN/CMAX1. NN=e

79. СТОЛБЕЦ ПРАВЫЙ ЧАСТЕЙ ! ВЕКТОР РЕШЕНИЯ ! ВЕКТОР МНОГОЧЛЕНА ! КОЛИЧЕСТВО ТОЧЕК ! МАКСИМАЛЬНОЕ И МИНИМАЛЬНОЕ