автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и методов расчетов регулируемых сооружений на каналах с трапецеидальнымими открышками и перепускными отвертиями в устоях

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХСЗЯЙСТЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛАЙУС Еляас Ибрагим

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ НА КАНАЛАХ С ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫМИ ОТКРЫЛКАМИ И ПЕРЕПУСКНЫМ ОТВЕРСТИЯМИ В УСТОЯХ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Авгорофераг

диссертации на соискание ученой сгепвна нандодага технических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре Гидротехнических сооружений Московского гидромелиоративного института

Научный руно в од;; г ель - доктор технических наук, профессор

И.С.РУМЯНЦЕВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Т.А.АЛИЕВ

- кандидат технических наук И.Е.КОЗЫРЬ

Ведущее предприятие - "Союзводпроект"

Защита состоится ^ " ^сссрпч 1994 года в /¿^часов ка заседании специализированного Совета К 120.16.01 в Московском гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, И-550, ул.Прянишникова, 19, МГМИ, ауд. й 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМИ. Автореферат разослан *ЛВ " ф-^/Ргода

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА К 120.16.01 кандидат технических наук, доцент

С.Е.КУЗЬМИН

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Строительными я проектными подразделениями Министерства ирригации Сирийской Арабской Республики в настоящее время осуществляется возведение значительного количества речных гидроузлов. Большинство из них кмеют чисто ирригационное назначение, так как большую часть территория САР занимает засушливые зоны, где годовое количество выпадаюсих осадков не превышает 300-500 мм. В этих условиях почти вся растительность засушливых зон выгорает, а существуют водотоки пересыхают. Для создания благоприятных условий роста расхений земля нуждаются в интенсивном развитии орошения из искусственно созданных водохранилищ на притоках рей Евфрат, Северный Кебир, Орошг и др. В целях водо-обеспечения сельского хозяйства на этих реках возводят гидроузлы и водозаборы, на каналах - подпорнне сооружения; помимо этого строятся каналы для заполнения водой естественных емкостей с много ле: ним регулированием стока, а также увеличивают пропускную способность каналов и регуляторов, созданных для перераспределения стажа.

В наиболее полной мере этим требованиям отвечает принципиально новый тип регулирующих сооружений на оросительннх системах - регулятор с открылками а перепускными отверстиями.

Современный опыт проектирования и строительства подобной конструкции таких регуляторов показывает, что их технико-экономические характеристики существенно превосходят аналогичные показа-тела градационных регуляторов из-за применения принципа соударе-тая потоков для повышения эффективности их работы, что ведет к увеличению пропускной способности таких сооружений. Внедрение такого типа регуляторов в практику гидротехнического строительства

Сирийской Арабской Республики позволяло бы ее водному хозяйству получигь весьма значительный экономический эффект.

Цель работы - на основе результатов модельных гидравлических исследований осуществить дальнейшее совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования регулирующих сооружений на каналах с трапецеидальными открылками и перепускными отверстиями в устоях.

Для достижения этой цели необходимо решить следувщие задачи:

- установить основные закономерности изменения кинематической структуры потока в нижних бьефах регуляторов при различных режимах их работы;

- исследовать пропускную способность регуляторов с открылками в перепускными отверстиями в устоях;

- изучить гидравлические условия работы нижних бьефов регуляторов с открылками и перепускными отверстиями в устоях при различных режимах сброса

Научная новизна. Б результате проведения исследований, поставленных во исполнение задач настоящей работы, получены следующие результаты:

- изучены закономерности изменения кинематической структуры потока в нижних бьефах регуляторов с открылками и перепускными отверстиями при различных режимах их работы;

- рассмотрены закономерности влияния на пропускную способность шлюза-регулятора глубины нианего бьефа и схемы сброса форсированных расходов, предложены зависимости от прогноза суммарного расхода, а также графики для определения коэффициентов расхода и относительных переливных расходов при выполнении соответ-

сгвуэдого гидравлического расчетного обоснования этого сооружения;

- осуществлено экспериментальное изучение гидравлических условий работы нижних бьегов регуляторов с открылками и перепускными отверстиями при различных реумах сброса, получеш графики для определения значений коэффициентов колячесгва движения а кинетической энергия, и безразмерные графика для конкретного прогноза кинематических характеристик течения при различных маневрированиях затворами, а также при различной состоя:-.:;:! прыяка.

Практическая значимость. Результата экспериментальных исследований, полученные в рачках заботы ориентированы на их использовании ?. практике проектирования а строительства регуляругс-пдах сооружений на каналах. Внедрение полученных результатов в практику гидротехнического строительства Сирийской Арабской Республики позволит повысить обоснованность я надежность работы таких сооружений.

Структура и объем работы. Диссертация состоят из введения, четырех глав, заключения, списка.использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на12? страницах машинописного текста, иллюстрирована 5-0 рисункам, 2 таблицами. Список использованной литературы насчитывает 100 наименований, из кях 15 - иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации приведены результаты изучэнпя принципа соударения потоков для гашения избыточной энергии потока в водопропускных соорузениях.

Отмечено, что для улучшения условий сопряжения бьефов в качестве конструктивных мероприятий применяют: различные типы

гасителей, наклонные водобоя, вытянутые бычки и др., а такле используют способ соударения погокоз, который осуществляется в водной среде (б пределах водобоя), в воздушной среде ала на поверхности вода. В тексте главы приводятся примеры различных конструкций водопропускных сооружений, в которых применяется способ гашения избыточной энергия соударением потопов, разработанных В.Ь.Ану<?сиевкм, М.Э.^акгорозичем, С.И.Игнагенко, В.О,Поярковым и др. Более перспективно;! оказалась схема сопряжения с соударением струй в зоне водобоя. Раз личалг ряд exea такого присоединения: восходящее (снизу - вверх); нисходящее (сверху - вниз); встречное и боковое. При низких напорах (до 10 м) схема с присоединением расхода (снизу - вверх) практически неосуществима из-за налой толщины водобойной плиты сооружения, недостаточной для размещения в ней водоводов.

Схема с присоединением расхода (сверху - вниз) требуег дополнительных затрат по устройству специальных лотков как береговых, гак и в пролетах между бычками и устоями.

Наиболее приемлемой для низконапорных сооружений является схема с присоединением расхода с Со.чоз, поскольку в ней водоводы размещаются в нижней части устоев, что приводит к рзеелрашщ поперечного профиля последние у основа;:::;:, необходимому по условиям их устойчивости. Анализ гидразлических условий работы водопропускных сооружений, использующих эффект соударения струй показал,что использование этого эффекта позволяет повысить энергогасящуа способность их концевых частей. Больной вклад з изучении этих проблем внесли Б.А.Замарин, Д.И.Куыян, Н.С.Попов, И.И.Вейц, Г.А.Петров, М.Э.Факторович, Г.В.Васильченио, А.Н.Альферович и др. Боль-сой вклад в решении задачи соединения открытого горизонтального потока с восходящим вертикально напорным потоком был внесен

М.Э.Факторовичем. Проводя обстоятельные лабораторные гидравлические исследования последний предложил свою классификацию возможных гидравлических режимов потока на участке соединения. Количественные характеристики процесса гашения энергии при соединении потоков на участке гидравлического прыжка били установлена н'.Э.Сакгоровичом экспериментальным путем для случая прямого угла соединения. А.Н.АлъЗерович теоретически рассмотрел схему соединения безнапорного основного и напорных боковых потоков под углом у5 з русле прямоугольного поперечного сечения. После применения уравнения количества движения им било получено уравнение прыжка ка участке соединения. Для оценки характеристики эффективности гапения энергии з правке с присоединенным боковым расходом он предложил аналитические выражения для определения некоторых основных характеристик течения.

Анализ существующих предложений по конструкциям водопропускных сооружений, концевыо части которых работают с использованием э^екта соударения струй показал, что в случаях низких и средних напоров в них наибольшее распространение получила устройства с Основам присоединением расхода к основному потоку. Однако экспериментально эта схема саыогашензя изучена гораздо ыеньпе, чем схемы с восходящим или нисходяпщм присоединенияыа» Между тем эф$ект соударения струй может быгь использован ив регулирующих сооружениях ка каналах мелиоративной или иной водохозяйственной системы. Какие-либо ограничения (по напорам, расходам, перепадам и др.) к этому практически отсутствуют. Выполненный в первой главе обзор позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования, приведенные а общей характеристике работы.

Во второй главе диссертации обсундаются вопроси методика проведения лабораторных модельных гидравлических исследований. Основным критерием моделирования рассматриваемых явлений являлось число Сруда, а условием моделирования - зависимость fr=.idem гак как она определяла инвариантность уравнений, описывающих потоки со свободной поверхностью, позволяла обеспечить на модели и в натуре равенство коэффициента гидравлического трения, коэффициентов расхода основного затвора ус , коэффициентов расхода боковых перепускных отверстий , идентичность полей скоростей, а такхе гидравлических резсимов сопряжения бьефов. Соответствующие оценки показали, что исследованная модель монет быть выполнена с линейным масштабом 1:100. В соответствия с принятым таким образом линейным масштабом, число Рейнольдса я отводящем канале на пороге рогулягора будет изменяться з интервале значений Яе* =

о

= 10-50»Ю , а число фруда в скатом сечении изменялось в интервале fn = S-17,5.

Экспериментальные исследования проводились в Лаборатории гидравлики водопропускных сооружений кафедры Гидротехнических сооружений МГМИ на гидравлической модели шлюза-регулятора, выполненной из оргстекла (рис.1) и установленной на гидравлическом стенде в лотке параной 150. см. Подвояяашй канал был выполнен из оргстекла и вмел длину 3,0 м, отводящий качал был выполнен из стали а имел длину гакяе 3,0 м.

Измерение скоростей в нижнем бьефе осуществлялось с помощью прибора ЛСПР (измеритель скорости потока реверсивный), в состав которого входили 8 датчиков измерителя скорости (микровергунек); допускаемая относительная погрешность не более 2,5%. Выполненная оценка точности проводимых исследований показала, что относитель-

ная предельная ошибка пси определенна глубин составляла 7,5-0,57??, расходоз - Г ,55-0,33;«; коэффициентов расхода основного затвора 4,78-7,7$, коэффициентов расхода боковых перепусков 2,34-1,8$.

В третьей гласе обсугдены основные результаты модельных исследований гидравлических условий работы регулируящих сооружений с открылкам а а перепускными отверстиями.

В начальной части главы подсобно рассмотрены полученные экспериментальные данные о кинематической структуре потока в нлхнем бьефе рассматриваемого регулятора. Изучение опытных дан-, пых позволило нам получить безразмерные графика, иллюстрирующие характер кинематической структуры потока на участке никнего бьефа за сооружением при различна* схемах маневрирования затворами и различных относительных глубинах наполнения нижнего бьефа. Графики, представлены в вида 1/гп^/ч

где Ияг, - максимальная осрвдленная скорость в гидростворе; а Ус - средняя скорость в отводящем канале = ;

- относительная координата гвдроствора.

Рассмотрены два случая присоединения потоков: работа основным пролетой с перепускными отверстиями (рис.2); работа основным арояатоы с переливом через открылка (рас.З). Обща для всех рассматриваемых сдучаез является то, что в створе с наибольшими значениями величин имеет место их рост в створе, где - 0,3, а затем наблпдаегся постепенное сняге-ние значений величин И^/й" при всех вариантах маневрирования и различных наполнениях кяянаго бьефа.

Анализ опытных данных, полученных по изучению пропускной способности регулятора позволяет нам рекомендовать зависимости для суммарного расхода:

- при пропуске расхода через основной затвор и переливом через огкрылки (закрыты перепускные отверстия)

О = (1,04-1,08) (0, + Оп,) (I)

- при пропуске расхода через основное затвор и перепускные отверстия

О = ( 1,036 - 1,04) ( Опг) ( 2 )

где С!,,, и 0г,2 - расходы, пропускаемые переливом через открылки или перепускные отверстия соответственно; Оо - расход пропускаемый через основно:1. затвор. На сснозании полученных опытных данных нам л были вычислены значения коэффициенты расхода /71^ (ряс.4) для перепускных отверстий по формуле

пг -_ви__7 (з)

где - коэффициент суммарного расхода перепускных отверстий; ^Че - суммарная площадь их отверстий (выходные сечения); Z - перепад бьефов; Оп - сбросной расход через отверстия. При истечении из-под основного затвора коэффициент расхода (рис.5) по опытным нашил данным был вычислен по формуле

и —_Со__/ д \

^ " ЩШ^ЙГ)7

где 0, - расход, пропускаемый через основной пролет; Л - высота открытия затвора; Ис - глубина потока в сгсатом сечении. Изучение опытных данных, полученных нами при работе шя-оза--регулятора с переливом через огкрылки позволило нам получить

графики в вида

РоГу _ Р( СИ Нп<, у .

а*, «-т., ' Р (рис.в)

где ОоГу ~ обздИ расход пропускаемый через сооружения;

- расход переливающийся через открылки;

- надор над гребнем открылков;

Р - высота открилков, отсчитываемая от горизонтальной части дна канала. Экспериментально било установлено, чго при работе шлюза-регулятора с переливом форсированных расходом лишь через открылки эффективно до значена:* относите/ -чих напоров над гребнем открылков 0,35. При дальнейшем росте напоров относительный расход СЦу/СЦ становится постоянным, а его значение зависящим ли^'ь от относительного открытия основного затвора Оц/°гти<

Помимо отмеченного, полученные нами опытные данные позволили проанализировать вопрос о влиянии на пропускную способность шлюза-регулятора с открылка!,'.и и перепускными отверстиями относительной глубины в ниянеы бьефе сооружения • Наша исследования показал:! факт наиболее приемлемого случая эксплуатации рассматриваемых шлгозов-регулягороз с прыяком, находящимся з критическом состоянии , что при всех значениях йп /03 по мере роста числа Ору да з с;загом сечении потока, выходящего из основного затзора /у. увеличивается и относительная глубина нижнего бьефа ¿?= Ьл1И, (рис.6).

В четвертой главе диссертации осуществлено обсуждение результатов исследований гашения избыточной энергия потока в нижних бьефах регулирующих сооружений с открылками и перепускным отверстиями в устоях.

При згой преследовалась цель исследовать закономерность изменения коэффициентов количества движения c¿o !) кинетической энергии c¿ за прыжком. А.Н.Альферовпчем получены зависимости для и c¿

c¿c- i +

( 5 )

( 6 )

где I?- ¡ % - удельный расход основного расхода; % - удельный расход соединяемого потока;

» 0,05 - для граничного сечения за прыжком, в котором уЕе выполняются условия плавней изменяемости течения (при cl t= 0,05 для коэЪфмхиентсв c¿, &.<, были использованы обозначения о£ и ), Анализ опытных дачных позволил нам получить безразмерные графики, представленные в виде c¿,c¿c¡O^ÍQs)

Как видно из этих графиков (рис.8 и 9) области изменения OÍ и o¿a ограничены сверху кривой D„/Q0 = 0,0 которая соответствует положению свободного гидравлического прыжка, а снизу -

линией РКС (расходное критическое состояние, в котором уровень

i'

ниякего бьефа не влияет на положение прыжка, а правок достигает своего положения при увеличении расходов - по М.Э.Сакторовичу). Численные значения коэффициентов c¿ , о4 уменьшаются от присоединения, становясь при FKC примерно равными = 1,03 - для случая работы сооружения с перепускными отверст нала; a o¿o= 1,05 -при работа сооружения с переливом через открылки.

В рамках исследований кинематической характеристики потока бит получены обширные материалы о трансформации плановых картин

ж

3

точения я изменения кинематических характеристик потока при различиях схемах маневрирования я различных наполнениях нижнего бьефа.

Помимо этого были получены бззразмерниг графики, представленные в виде Vmt, 14 = /> On№,)',

где X ~ расстояние ме;кду створом и выходным сечением оснозного затвора;

Лм - критическая глубина соединенного потока,

равная hMiTT^f

U " Jr

- критическая глубина ос 1зного потока,равная^■

Йг - средняя скорость потока^ за прыжком;

Ипл, - максимальная аз измеренных в данном створе осредненкых скоростей.

Анализ этих графиков показал, что под алаянием перепускных отверстий значение характеристики -Й^- уменьшается примерно с 2 до 1,3 на расстоянии X = IQ hK* и с 1,25 до 0,82 на расстоянии X = 30hm ( О?— _ КрЙГИчесК0а состояние, рис.10,б). При работе сооружения с переливом через открылки значение характеристика-^^^- уменьшается с 1,5 до 0,32 на расстоянии X = 10

и с 1,07 до 0,63 на расстояния X = 30 hKe ( Q. т л.

75-- ¿,vf критическое состояние, рис.II,d). Таким образом, проведенные нами исследования гидравлических условий работы нижнего бьефа показала, что присоединение расхода с помощьэ перепускных отверстий или путем перелива через открылки ведет к улучшению кинематической структуры потока в нижнем <5ье$е, проявляющемуся в усилении равномерности распределения скоростей, снижении пх абсолютных и относительных значений, более быстром переходе течения к условиям равномерного движения.

В работе приводится пример расчета исследованного плаза-регулятора, запроектированного для условий магистрального канала массива орошения Западное Мескене (САР).

ЗАКЛЮЧЕН И Б

В настоящей диссертационной работе были осуществлены исследования пропускной способности и гидравлических условий работы низших бьефов регуляторов с открылками а перепускными отверстиями в устоях. В результате этих исследований получены конкретные предложения, внедрение которых в проектную практику, на наз взгляд, позволит усовершенствовать метода проектирования и расчетного обоснования подобных сооружений.

Выполненный в работе анализ литературных и проектных данных, а также результатов проведенных исследований позволяет сделать следующее выводы:

1. Использование в шшшх бьефах водопропускных гидротехнических сооружений эффекта соударения струй позволяет повысить энергогасяцую способность их концевых устройств.

2. Рассмотренная конструкция шлэза-регулягора является наиболее приемлемой для услозий низких и средних напоров. Однако реализуемая в таких сооружениях схема самогашения избыточной энергии потока изучена гораздо меньше, чем схемы с восходящим или нисходящим присоединением.

3. В результате проведения комплекса гидравлических исследований в условиях аесткой модели установлено, что:

- исследование кинематической структуры потока в отводящем канале рассматриваемого штшза-регулятора показали, что рост значений относительной величина расхода, пропускаемого через

перепускные отверстия ведет к интенсификация процесса гашения избыточной энергии потока в пределах водобоя этого сооружения, а тагсг.е на участке рисбермы. Интенсивность этого гашения нарастает и по мере роста числа Рг, в сзагом сечении за основным затвором;

- при закрытых перепускных отверстиях перелив через боковые открылки такхе способствует интенсификации гашения избыточной энергии потока в условиях нерегулируемого сброса форсированных расходов какала;

- исследование пропускной способности рассматриваемого шлвза-регулягора при различных схемах сброса форсированных расходов позволила предложить зависимости для прогноза суммарного расхода (формулы (I) и (2), а гак.~а графики для определения коэффициентов расхода (рис.4 и 5) и относительных переливных расходов (рис.6), которые могут быть использована при выполнении соответствуя®« гидравлических расчетов и проектного обоснования этого сооружения;

- экспериментально было установлено, что при работе шлюза-регулятора о переливом форсированных расходов лишь через открылки (перепускные отверстия закрыты) последние пропускает эти расхода эффективно лишь до значений относительных напоров над гребнем открылков Нпе'р/Р - 0,35. При дальнейшем росте напоров относительный расход становится постоянным, а его значение - зависящим лишь от относительного открытия основного затвора а*;/о-^;

- получены экспериментальные данные о влиянии на пропускную способность шлюза-регулятора глубины никнего бьефа;

- исследования различных схем сброса форсированных расходов показала, что при всех значениях (Зл/О» по мере роста числа

фруда в сжатом сечении потока, выходящего из основного затвора ( Рг, ) увеличивается й относительная глубина нижнего бьефа

^-4/Л « Равным образом установлено, что интенсивность гашения зависит от реализуемого в рамках нашего сооружения способа сброса форсированных расходов (через перепускные отверстия ила переливом через открылки), что объясняется различными углами подвода в этих случаях присоединяемых расходов. Наибольшие интенсивность гашения избыточной энергии потока наблодаегся при сбросе с. использованием перепускных отверстия (угол подвода - 20°);

- полученные опытные данные по интенсивности газения при различных схемах сброса хорошо согласуются с экспериментальными данными и теоретическими построениями А.Н.Альферозича и М.Э.Фак-горовача.

4. Проведенные исследования гашения избыточной энергий потока в никних бьефах шлюза-регулятора с открылками и перепускными отверстиями позволили нам придти к следующим выводам:

- исследование закономерностей измерения коэффициентов количества движения в кинематической энергии в нижних бьефах рассматриваемых шлазов регуляторов позволило получить графики для определения значений этих коэффициентов при различных числах Фруда в скатом сечении при основном затворе и при различных схемах сброса в условиях махоядения прыхка в критическом состоянии;

- исследование различных схем маневрирования основным затвором в затворами перепускных отверстий позволило получить обширные материалы о трансформации плановых картин течения и об изменении его кинематических характеристик, а такзе выделить степень влияния наполнения нижнего бьефа на последние. Помимо этого были получены безразмерные графики для конкретного прогно-

за кинематических характеристик течения при различных схемах маневрирования оснозным затвором, затворами перепускных отверстий, различными условиями перелива через открылка, а такие при различных состояниях при.">!г (отогнанный, в критическом состоянии а затопленный);

- на основании полученных экспериментальных данных установлено, что доле при соблюдения условий постоянства относительного расхода основного затвора ( Ос /О»-.,,- Сотг ) увеличение относительной величины присоединяемых расходов (через перепускные отверстия или путем перелива через открылки) вздет к улуч-иениэ условий сопряжения, а так.л. улучшению общей картины течения па участке отводящего канала, то есть к улучшении растекания потока и распределения скорости, снигекиа их абсолютных и относительных значений, к более быстрому достижению потоком равномерного характера движения.

А-А

нпч ф

Т!

поп

ГШ

&

зс

>

ад

/

!

/

/

V, •ч

*

ь

<\. и 45

Рйс.2.5. Схема модели илаза-регулятора с открылками: I - днище водопропускной камеры; 2 - стенка камеры; 3 - отнралка; 4 - боковые затворы; 5 - центральный затвор; 6 - подводящий канал; 7 - отводящий канал5

Рис.2. Работа основного затвора с перепускными отверстиями

/.75

Í.TS

ю

I

Рис.З. Работа осношюго затвора с переливом через открылки

Рис. 4. График m^/CHisíZ)

Рис.5. Трафикje = S(ctfH)

Рис.6. Графин —

б)

Рис.7. Экспериментальные данные о влиянии на пропускную способность относительной глубины нижнего бьефа

а - работа основного пролета с переаускзыми

отверстиями; б - работа основного пролета с переливом через открылка

¿18-/лг-

¿36 -

а- -/21--

т -{06

ш

//3

а

{02

Ч-, ''

к _ —

в • —•

—о* и" а

Ч- — -ф- —0- — РАС ) .

/г

15

/3

а.

Рис.4.1, График Ы, е^, ~ ^в-

работы регулятора с перепускными отверстиями

Рис.4.2. График оС.ОС) =/(Рп .

работы регулятора с переливом через открылки

г. is

г.о-

Рис.10. Работа основного затпора с первмсккимв отверстиями

y.7Sy

Рио.П. Работа основного затвора о переливом чероз открилки

M

ы