автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани

Нань Фэн

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ БЕТОННЫХ ВОДОСБРОСОВ СО СТУПЕНЯМИ НА НИЗОВОЙ ГРАНИ

Специальность 05.23.07 - "Гидротехническое строительство"

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ "

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2015

005564414

Работа выполнена на кафедре «Гидротехнические сооружения» института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

Румянцев Игорь Семёнович!

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К А. Тимирязева

Козлов Дмитрий Вячеславович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени КА. Тимирязева

Официальные оппоненты: Волшаник Валерии Валентинович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»

Волынчпков Александр Николаевич

кандидат технических наук,

директор по производству АО «Институт

Гидропроект»

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова», Федеральное агентство научных организаций

Защита состоится «23» декабря 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.13 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, учебный корпус №28 аудитория 201. (тел./факс: 8(499)976-21-84, E-mail: dissovet@timacad.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева и на сайте университета http://www.timacad.ru.

Автореферат разослан «_» октября 2015 г.

Учёный секретарь / ^

диссертационного совета,

кандидат технических наук /.'' М.С. Палиивец

Научные руководители:

Нань Фэн

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ БЕТОННЫХ ВОДОСБРОСОВ СО СТУПЕНЯМИ НА НИЗОВОЙ ГРАНИ

Специальность 05.23.07 - "Гидротехническое строительство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2015

Работа выполнена на кафедре «Гидротехнические сооружения» института природообустройства имени А.Н. Костикова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

[Румянцев Игорь Семёнович!

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ,

ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева

Козлов Дмитрий Вячеславович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева

Официальные оппоненты: Волшаник Валерий Валентинович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»

Волынчиков Александр Николаевич

кандидат технических наук,

директор по производству АО «Институт

Гидропроект»

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова», Федеральное агентство научных организаций

Научные руководители:

Защита состоится «23» декабря 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.13 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, учебный корпус №28 аудитория 201. (тел./факс: 8(499)976-21-84, E-mail: dissovet@timacad.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева и на сайте университета http://www.timacad.ru.

Автореферат разослан «_» октября 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

М.С. Палиивец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Анализ современных мировых тенденций в проектировании и строительстве гидроэнергетических объектов свидетельствует об интенсивном строительстве средне- и высоконапорных гидроузлов. Так, например, к концу XX века в Китае из 371 построенных плотин - 205 были грунтовые и 157 - гравитационные, 23 из которых имеют высоту более 100 метров. За последнее десятилетие в КНР было построено несколько плотин высотой более 200 метров, в том числе, гидроузлы "Эр Тань" высотой 240 м, "Си Ло Ду" высотой 273 м, "Луп Тань" высотой 216,5 м, "Сяо Вань" высотой 292 м и др. В основном эти гидроузлы предназначены для целей водоснабжения, ирригации и борьбы с паводками. В России в настоящее время строятся крупные гидроузлы комплексного назначения: Богучанский на р. Ангаре, Бурейский на р. Бурее, Ирганайский на Северном Кавказе и др. Практически на всех современных средне- и высоконапорных гидроузлах актуальной является проблема гашения избыточной энергии потока. При этом на высоконапорных водосбросах в пределах проточного тракта возникают такие нежелательные явления как вибрация элементов конструкций под действием гидродинамических нагрузок, кавитационные разрушения, раскрытие деформационных швов, образование трещин и др. Отмечается снижение надежности концевого участка водосброса в результате диссипации значительного количества энергии на водосбросном фронте. Поэтому требуются дорогостоящие мероприятия, направленные на предупреждение и устранение вышеуказанных явлений, в том числе на повышение коэффициента армирования и класса бетона, улучшение качества укладки, повышение прочности последнего. Все это приводит к существенному увеличению сметной стоимости строительства гидротехнических сооружений.

Одним из возможных путей решения проблемы гашения избыточной энергии потока является использование повышенной шероховатости поверхности водосливной грани бетонных водосбросов гидроузлов.

Степень её разработанности. Сегодня в мировой гидротехнической практике интенсивно строятся плотины из укатанного бетона, в теле которых возводят водосбросы со ступенчатой низовой водосливной гранью. Такие конструкции водосливных плотин наиболее распространены в США, Японии, Великобритании, Латинской Америке, Южной Африке, КНР и других странах. Например, в Китае для сброса паводковых вод через такие водосбросы с целью гашения их избыточной энергии используется метод комбинированного гашения путем устройства в водосбросных пролетах быков с расширенной кормовой частью, сопряженной с вертикальным носком-уступом.

Таким образом, настоящая диссертационная работа, направленная на

выбор оптимальных конструкций и методов расчетного гидравлического обоснования бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани с целью повышения их пропускной способности и эффективности гашения избыточной кинетической энергии представляется актуальной и необходимой.

Цели и задачи. Совершенствование конструкций и методов расчетного гидравлического обоснования бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани, имеющими различные размеры ступеней, углы наклона сливной грани водосброса, различные конструкции входных оголовков и быков.

Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие основные задачи:

- провести сравнительный анализ зарубежного и российского опыта по гидравлическому исследованию водосбросов со ступенями на низовой грани;

- экспериментально изучить явление "крылообразной водной струи" на ступенчатых водосбросах с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;

- выполнить исследование коэффициента гашения избыточной энергии потока по длине и коэффициента гашения избыточной энергии ступенчатых водосбросов, в том числе водосбросов с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;

- экспериментально определить местоположение точки начала аэрации потока на ступенчатых водосбросах с различными типами оголовков и быков; оценить значения коэффициента скорости, коэффициента гашения избыточной энергии потока и коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине на ступенчатых водосбросах с различными типами оголовков и быков;

- выполнить оценку гидравлического режима различных вариантов конструкции ступенчатого бетонного водосброса гидроузла "Да Чао Шан" в КНР.

Научная новизна:

- экспериментально (на физических моделях) подтверждено существование различных гидравлических режимов течения на ступенчатых бетонных водосбросах с разными размерами ступеней, углами наклона низовой сливной грани водосброса, типами оголовков и быков;

- получены гидравлические параметры "крылообразной водной струи" и их влияние на давление в зависимости от удельного расхода при различных углах наклона низовой сливной грани ступенчатого водосброса и размерах ступеней;

- получены новые данные об изменении коэффициента гашения

избыточной энергии потока по длине и коэффициента гашения избыточной энергии ступенчатых водосбросов, в том числе с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;

- установлено, что экспериментальные зависимости по определению местоположения точки начала аэрации на сливной грани ступенчатого водосброса могут быть успешно применены для гидравлических исследований и расчетного обоснования конструкций водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков; получены оценки величин коэффициента гашения избыточной энергии, коэффициента скорости и коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков;

- выполнена оценка распределения средних пьезометрических давлений для различных вариантов конструкций водосбросов со ступенями на низовой грани гидроузла "Да Чао Шан" в КНР.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в рамках диссертационной работы теоретические и экспериментальные зависимости, а также практические рекомендации ориентированы на их использование в практике проектирования, эксплуатации и строительства бетонных водосбросных плотин со ступенями на низовой грани.

Методология и методы исследования. Теоретические расчёты, физические модельные гидравлические исследования.

Положения, выносимые на защиту:

- особенности гидравлического режима на ступенчатых водосбросах с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;

- гидравлические параметры "крылообразной водной струи" и их влияние на давление в зависимости от удельного расхода при различных углах наклона низовой сливной грани ступенчатого водосброса и размерах ступеней;

- результаты исследования коэффициента гашения избыточной энергии по длине и коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах при различных углах наклона низовой сливной грани водосброса и высот ступеней;

- экспериментальные зависимости для определения местоположения точки начала аэрации потока по длине сливной грани ступенчатого водосброса при различных типах оголовков и быков; новые данные об изменении коэффициентов скорости, гашения избыточной энергии и гидравлического сопротивления трения по длине водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков;

- результаты сравнительного анализа и зависимости распределения относительного давления от относительного расстояния от верхней точки

водослива до мерного створа по длине сливной грани, на оголовке водослива, обратной дуге и водобое для различных вариантов конструкции ступенчатого бетонного водосброса гидроузла "Да Чао Шан" в КНР.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждена большим объёмом экспериментального материала, проанализированного автором в диссертационной работе; апробированными исходными положениями и современными методиками, принятыми автором в лабораторных гидравлических исследованиях; применением протарированных приборов, средств измерений и обработки полученных данных, а также удовлетворительной сходимостью результатов, полученных автором, и экспериментальных данных российских, китайских и других зарубежных исследователей.

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений факультета гидротехнического, агропромышленного и гражданского строительства института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» и на международных научно-практических конференциях (2011-2015 гг.):

— «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК», посвященной 150-летию со дня рождения основоположника высшего гидротехнического и мелиоративного образования в России В.В. Подарева, Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-20 апреля 2012 г;

— «Проблемы комплексного обустройства техно-природных систем», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-18 апреля 2013 г;

— «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», Москва, Институт природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 22-25 апреля 2014 г;

— «Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвященная созданию объединённого аграрного вуза в Москве», Москва, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», 3-4 июня 2014 г;

— 11th International Conference on Hydroinformatics HIC "Informatics and the Environment: Data and Model Integration in a Heterogeneous Hydro World", New York City, USA, August 17-21, 2014;

— «Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»,

Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», 2-3 июня 2015 г;

По результатам диссертационных исследований опубликовано 8 работ, из них 6 в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Настоящая работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Изложена на 211 страницах, содержит 61 таблицу и 107 рисунков. Библиографический список литературы насчитывает 102 наименование, из которых 60 на иностранных языках (из них 31 на английском языке и 29 на китайском языке).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также методология и методы исследований, отражены положения, выносимые на защиту, приведены степень достоверности и апробация результатов; приводятся сведения о структуре и объёме диссертационной работы.

В первой главе проанализированы исторические пути развития и совершенствования конструктивных элементов бетонных ступенчатых водосбросов как в КНР, России, так и в других странах. Показано, что в практике гидротехнического строительства ступенчатые водосбросы используются уже несколько тысяч лет. В современных условиях это, главным образом, вызвано активным развитием технологий строительства ступенчатых водосбросов в составе плотин из укатанного бетона, которые стали широко применяться в практике гидротехнического строительства, в первую очередь за рубежом.

Во второй главе изложена методика проведения автором диссертации гидравлических лабораторных исследований бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани, которая включает в себя: принципы физического моделирования; описание гидравлической экспериментальной установки и порядок проведения экспериментальных исследований; описание измерительных приборов экспериментальной установки; оценку точности измерений. Сформулированы выводы по этой главе, включающие в себя задачи, направленные на достижение поставленной цели, согласно программе эксперимента и в рамках спланированной серии гидравлических опытов.

В третьей главе изложена методика проведения экспериментальных исследований гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах с различными углами наклона низовой грани и размерами ступеней.

Для проведения гидравлических модельных исследований использовался гидравлический зеркальный лоток в лаборатории водосбросных и водозаборных сооружений кафедры гидротехнических сооружений института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». Общая длина лабораторного лотка составляла 10 м, ширина - 1 м. Основные элементы экспериментальной установки и физических моделей водосбросов (таблица 1): напорный бак с максимальным удельным расходом </Мах=0,3 м3/с-м; водослив, очерченный по координатам WES (проектирование профиля было выполнено по формуле xl,ss=2Н/-*5у, где хну- координаты поверхности водослива по горизонтали и вертикали, отсчитываемые от центра, находящегося на гребне водослива; Hj — расчетный напор водослива, Hj= 20 см); ступенчатая низовая сливная грань модели; концевая прямоугольная часть лотка шириной 1 м с высотой боковой стенки 0,3 м; сбросной участок лотка. Экспериментальные физические модели (водослив и ступени) были выполнены из органического стекла толщиной 0,5 см. Все измерения выполнялись с использованием протарированных приборов и измерительных средств.

В первой серии опытов (таблица 1) три исследованные модели ступенчатого водосброса имели следующие параметры: первая (а) - высоту водосбросной плотины 2,48 м, угол наклона сливной грани водосброса 0=40°; вторая (б) - высоту плотины 2,32 м, угол наклона сливной грани водосброса 0=50°; третья (в) - высоту плотины 2,16 м, угол наклона сливной грани 0=60°. Масштаб моделей был 1:60.

Й. Ясуда получил следующие уравнения при 0,1< tan# <1,43 для границ переходного режима (/ - длина ступени):

- верхний предел:

К.

d 1,16 (tan <9)0165 ; (J)

нижнии предел:

с/ 0,57-(1ап<?)5+1,3 _ (2)

X. Чансон получил другие уравнения для границ переходного режима: - верхний предел:

_ I 2 —О 425 — а 1,2. 0,(3)

если численное значение относительной критической глубины будет больше предельного, то начнется скользящий (быстротечный) режим;

— нижний предел:

=0,89—0,4у (4)

На рисунке 1 показаны графики для переходного гидравлического режима течения, полученные экспериментально и расчетным путем по формулам (1) -(4).

При большом угле наклона сливной грани (6>40°) и малом сбросном расходе на сливной грани ступенчатого водосброса образуется так называемая (с англ.) "крылообразная водная струя" (большая гидравлическая струя) в отличие от "языкообразной водной струи" (малой гидравлической струи). В экспериментах были получены параметры "крылообразных водных струй" и границы её верхних и нижних струй при различных расходах и размерах ступеней, представленные на рисунке 2 (д - удельный расход; Р - высота водосбросной плотины).

На рисунке 3 показаны значения коэффициента гашения избыточной энергии по длине на ступенчатом водосбросе при угле наклона сливной грани водосброса 0=40° и высоте ступени ¿/=16,0 см.

Коэффициент гашения избыточной энергии по длине можно выразить как

А

дг г р Л

Е0 Е0 Я„+ 1.5А, +

К '

где АЕI - потери напора на первой сопряженной глубине в сжатом сечении; Ео ~ полный напор в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа; Е/ — напор на первой сопряженной глубине в сжатом сечении; Нт - высота водосбросной плотины; Икр — критическая глубина.

Аппроксимирующая формула для полученных экспериментальных данных имеет вид:

к, = 0,20121п + 0,0075 . (6)

Ч

На рисунке 4 показано разделение потока по типам гидравлического режима на графике коэффициента гашения избыточной энергии по длине ступенчатого водосброса в зависимости от критической глубины к,;р для соответствующего расхода, проходящего по водосливной грани, при угле наклона сливной грани водосброса 0=40° и высоте ступени сЬ8,0 см.

На рисунке 5 приведены данные, показывающие изменение коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатом водосбросе при угле наклона

сливной грани водосброса 0=40° и высоте ступени ¿/=16,0 см. Коэффициент гашения избыточной энергии, учитывающий потери энергии на водосливной грани и дополнительные в гидравлическом прыжке, можно выразить как

Еа.

\р г р и

лс1=А!_е1 = 1--^-= -т (7)

К '

где АЕ2 — потери напора в районе второй сопряженной глубины в сечении; Ег — напор в районе второй сопряженной глубины.

Аппроксимирующие формулы для полученных экспериментальных данных имеют вид:

- в диапазоне 0<НП1/Икр<50:

/ \ //„, 3 / \

2-Ю"6- -0,0003-

ю

тт

-0,0145—— + 0,6885

, (8)

в диапазоне 50<Н„Л/Икр<120: к, =-5 10

+ 0,0013-^- + 0,8951 ч ) . (9)

На рисунке 6 показаны изменения коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах с углом наклона сливной грани водосброса 0=40° при различных высотах ступеней ¿/=16,0, 8,0,4,0 см.

Автор использовал аппроксимирующие формулы логарифмического типа для расчета значений коэффициента гашения избыточной энергии по длине и коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах. Кроме того, использовались аппроксимирующие формулы, полученные по методу математического гиперболического совпадения, для расчета значений (в процентах, %) коэффициента гашения избыточной энергии по длине и коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах (10), а также значений коэффициентов определенности (таблица 2):

, К

. (10)

В четвертой главе изложена методика проведения экспериментальных исследований гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах при различных конструкциях оголовков и быков.

В ходе гидравлических исследований рассматривались модели различных водосбросных плотин со ступенчатой низовой водосливной гранью с разной высотой их тела:

- 170 см (вакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, поперечное сечение которого было выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым), при удельных расходах <у>0,1 м3/(см) и отношении Но/гф~ 1,2...3,4 (где Но - напор с учетом скорости подхода, Гф -фиктивный радиус, равный 0,1 м), эллиптическим оголовком с вакуумным профилем и соотношением полуосей эллипса a/b= 1 (модель -А-1)\

- 192 см (безвакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, построенным по координатам Кригера-Офицерова). При построении очертаний поперечного сечения водослива по координатам Кригера-Офицерова его профилирующий (расчетный) напор был равен 30 см (модель -А-2);

- 196 см (безвакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, очерченным по координатам WES), при расчетном напоре Hj= 30 см. Проектирование такого профиля велось по формуле: *1,85=2H°ySSy, где х и у — координаты поверхности водослива, отсчитываемые от центра, находящегося на гребне водослива, Hj — расчетный напор водослива (модели А-3, В-1, В-2, В-3).

Угол наклона плоскости сливной грани водосброса был равен 0=47°. Ступенчатая низовая часть имела четыре переходные ступени после оголовка: две первых ступени имели высоту d= 3,6 см и ширину /=3 см и две следующих ступени имели высоту d= 5,52 см и ширину /=4,6 см. После переходной ступени остальные ступени имели размеры: d= 7,32 см, /=6,1 см. Смена же скользящего и перепадного режимов в наших исследованиях наблюдалась при /?к7,/¿/=0,47... 1,55, при этом длина ступенчатой низовой грани составляла Lc^„=2,27 м, что практически совпадало с размерами моделей других исследователей.

Расходы на моделях типа -А-2, -А-3, -В-1, -В-2, -В-3 менялись в диапазоне от 0,02 м3/с до 0,12 м3/с. На модели типа -A-J при удельных расходах <7>0,1 м3/(см) отношение составляло Но/гф~\,2...3,4 и эксперимент проводился при расходах 0,02...0,2 м3/с. При проектировании реальных водосбросных сооружений обычно принимается удельный расход, необходимый для определения в дальнейшем размеров водосброса и последующего исследования его пропускной способности. Физическое моделирование выполнялось на моделях ступенчатого водосброса масштаба 1:10.

В моделях типа -А-1, -А-2, -А-3 ширина пролета водосброса в свету была равна В= 1 м. Тогда при расходах на модели в диапазоне 0,02...0,2 м3/с удельный расход был равен 0,02...0,2 м3/(см). В моделях типа -В-1, -В-2, -В-3 было три пролета, каждый пролет в свету был равен 0,23 м, общая ширина пролетов была равна 0,69 м. При расходах модели в диапазоне 0,02...0,12 м3/с удельный расход составил 0,0289...0,1739 м3/(с"м).

Всего было построено 6 моделей ступенчатых водосбросов, которые исследовались в двух сериях опытов А и В (таблица 3). В серии А исследовался

ступенчатый водосброс с вакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым -(модель-Л-У), с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам Кригера-Офицерова — (модель-Л-2), с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам WES - (модель-Л-5). В серии В исследовался ступенчатый водосброс с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам WES, оборудованный быками различных конструкций: традиционными быками (модель-б-7); быками с расширенной кормовой частью, создающей "игрек-образное" течение ниже быка (модель-5-2); быками с расширенной кормовой частью, создающей "икс-образное" течение ниже быка (модель-В-5).

Анализ вариантов конструктивного оформления быков с расширенными кормовыми частями позволил выбрать из многообразия конструкций два основных варианта, получивших свои наименования в зависимости от плановой картины косых волн, возникающих за обтекаемыми кормовыми частями быков (таблица 3). Одна из конструкций получила название (Y) «игрекобразный» бык, а другая - (X) «иксобразный» бык.

Во время проведения экспериментов обнаружено, что, как и смена режимов (типов) течения, параметр L зависит от размеров ступеней и пропускаемых расходов. Здесь L - это расстояние от наивысшей точки подъема гребня водосброса до точки, где граница турбулентного пограничного слоя выходит на свободную поверхность; Ks — эквивалентная шероховатость, перпендикулярная предположительной высоте ступени, Ks=d-cos9 (рисунок 7).

Характеристический критерий Фруда для ступенчатых водосбросов равен

/■>■= ■ q з , (И)

VGrsin e-d>)

где q - удельный расход, м3/(с-м); g - ускорение свободного падения, 9,8 м2/с; в - угол между проекцией поверхности ложного дна и горизонталью; d~ высота ступени.

Как видно из рисунка 7, при исследовании всех моделей по мере увеличения расхода кривая Llks=j[Fri) имеет восходящий характер, то есть величины Fr* в опытах росли.

Оценка изменений скорости проводилась в безразмерных величинах, где коэффициент скорости <р (или относительная скорость) определялся по зависимости:

tpF>Vft№Eo-hti\m, (12)

где Е(гНП1+Нп+ Vo2/2g - полный напор в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа; Н„, (или Р) — высота водосбросной плотины; Fo и Но~ скорость

и напор с учетом скорости подхода к водосбросной плотине; F, и Л, — средняя скорость и глубина потока в измеренном створе ступенчатого водосброса.

Коэффициент скорости ip является интегральной характеристикой, учитывающей суммарные потери напора по длине водосливной грани и при повороте потока в вертикальной плоскости при сопряжении с дном водобойного колодца. Значения коэффициента <р определены на модели при различных высотах ступеней на водосливной грани.

Установлено, что коэффициент скорости зависит от удельных расходов, размеров (высоты) ступеней и высоты плотины. Полученные опытные данные (рисунок 8) обобщены в виде зависимости коэффициента <р от безразмерного расхода ql(g°'s<?JP). В этом комплексе принято, что q - удельный расход, d -высота ступеней, Р — высота плотины.

Представленные на рисунке 8 данные практически совпадают с результатами опытов Тоцци, A.M. Швайнштейна, Янг Мина, М.И. Мирзоева, Аль-Али Абдельрезака, А.Н. Волынчикова, дополняют их и могут быть использованы для проектирования водобойных устройств за ступенчатыми водосбросами.

В расчетах гидравлических характеристик потока на водосливной грани ступенчатого водосброса важной задачей является определение коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине с учетом влияния самоаэрации потока и геометрических размеров шероховатости ступенчатой поверхности. Методика расчетного обоснования коэффициента гидравлического сопротивления трения двухфазного равномерного потока при определении скорости течения данного расхода воды широко применяется в практике гидротехнического строительства. Если угол наклона дна потока изменяется в диапазоне 19°<0<55° и 0,1<ATV//);, „.„< 1,0, коэффициент трения может быть записан как

, _ 0,5-0,42-sin(2fl) I-0,251og(-^_)

J . (13)

При равномерном движении значение эквивалентного гидравлического диаметра при равномерном движении £>/,,„,„=4/;„,„ характерно для широкого прямоугольного канала, эквивалентного гидравлическому диаметру.

На рисунке 9 график изменения коэффициента гидравлического сопротивления трения / представлен в зависимости от относительной шероховатости ступенчатой поверхности KJ4R (Ks — эквивалентная шероховатость, перпендикулярная предположительной высоте ступени, Ks=d-cos9, R — гидравлический радиус). При исследовании всех типов моделей (.А и В) по мере увеличения отношения KJ4R кривые X=j{KJ4R) имеют

восходящий характер.

На рисунке 10 график изменения коэффициента гидравлического сопротивления трения X представлен в зависимости от относительной шероховатости ступенчатой поверхности К5/4Я в сравнении с данными других авторов. Из рисунка 10 видно, что в диапазоне 0,05</^/4Л<0,35 коэффициент гидравлического сопротивления трения будет иметь значения 0,06<л<0,09.

Представленные на рисунке 10 данные практически совпадают с результатами опытов Бакара, Байата, Кристодолоу, Диез-Каскона, Соренсена, А.Н. Волынчикова, дополняют их и могут быть использованы для сравнительного анализа эквивалентной гидравлической шероховатости ступенчатой водосливной грани.

Специальная серия опытов была посвящена гидравлическому исследованию ступенчатого водосброса гидроузла "Да Чао Шан".

Водохранилище гидроузла "Да Чао Шан" расположено в среднем течении реки Меконг на территории КНР. Площадь водосбора гидроузла в верхнем бьефе — 12,1 млн. км2, в районе плотины многолетнее среднее количество осадков 1100 мм, нормальный подпорный уровень (НПУ) - 899,0 м, соответственный объём - 7,4 млрд. м3, уровень мёртвого объема (УМО) - 887 м, соответственный объём - 4,64 млрд. м3, форсированный подпорный уровень (ФПУ) - 905 м, соответственный объём водохранилища - 9,1 млрд. м3.

В таблице 4 представлена конструкция водосбросной плотины гидроузла "Да Чао Шан" в натуре и модель ступенчатого водосброса этого гидроузла масштаба 1:60 с тремя центральными отверстиями: а - поперечное сечение конструкции водосброса; б - уступ за быками; в — концевые расширения быков в плане; 1 — быки; 2 - ступенчатая сливная грань; 3 - трамплин-отклонитель.

На рисунке 11 показаны кривые распределения относительного среднего давления в зависимости от относительного расстояния от верхней точки водослива до мерного створа по длине на ступенчатом водосбросе гидроузла "Да Чао Шан" для четырех вариантов конструкции: 1 - вариант №1 водосброса с гладкой низовой сливной гранью (масштаб модели 1:60); 2 - вариант №2 водосброса со ступенчатой низовой сливной гранью (масштаб модели 1:45); 3 — вариант №3 водосброса со ступенчатой низовой сливной гранью (масштаб модели 1:100); 4 - натурные наблюдения на действующем водосбросе со ступенчатой низовой сливной гранью; 5 — вариант №4 водосброса со ступенчатой низовой сливной гранью (масштаб модели 1:60) при НПУ; 6 -вариант №4 водосброса со ступенчатой низовой сливной гранью (масштаб модели 1:60) при ФПУ.

Экспериментальные исследования на физических моделях ступенчатого водосброса гидроузла "Да Чао Шан" показали, что среднее давление на

оголовке, обратной дуге и водобое' значительно больше, чем на ступенях водосливной грани. Среднее давление на ступенчатом водосбросе (масштаб модели 1:60) при ФПУ больше, чем на водосбросе при НПУ. Из рисунка 11 видно, что ниже всех располагается кривая 4, которая соответствует данным натурных наблюдений на действующем гидроузле, потому что на реальном ступенчатом водосбросе, выполненном из более жесткого материала - бетона, наблюдались гораздо меньшие значения гидродинамического давления, чем в лабораторных условиях на физических моделях, выполненных из более мягкого материала - оргстекла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени в мире построено большое число ступенчатых водосбросов. Это вызвано, в том числе, интенсивным развитием технологий строительства из укатанного бетона плотин с водосбросными сооружениями со ступенчатой водосливной гранью, которые в последние десятилетия стали широко применяться в практике гидротехнического строительства, особенно за рубежом.

Несмотря на высокий уровень развития и практического использования методов теоретического и численного обоснования конструкций проточной части бетонных ступенчатых водосбросов, многие вопросы проектирования таких сооружений решаются на основе гидравлических лабораторных исследований физических моделей.

Основные выводы, полученные на основе проведенных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. В зависимости от значений относительной критической глубины Икр1с1, уклона поверхности ступенчатого водосброса в к горизонту и удельных расходов на сливной ступенчатой грани водосбросов наблюдаются различные гидравлические режимы течения (перепадный, переходный и быстротечный). Расчетные результаты верхнего и нижнего пределов гидравлических режимов, полученные по формуле И. Ясуды, ближе к экспериментальным данным, чем расчетные результаты верхнего и нижнего пределов, полученные по формуле X. Чансона.

2. "Крылообразная водная струя" существует в определенном диапазоне удельных расходов, почти так же, как и перепадный режим. Если поток находится в перепадном или частично переходном режиме, при котором проявляется "крылообразная водная струя", то такой режим приводит к "бесполезному" гидравлическому режиму течения, при нем ступенчатая грань не будет оказывать существенного влияния на гашение избыточной энергии потока. При прочих равных условиях и образующейся "крылообразной водной

струе" с уменьшением высоты ступени с1 на сливной грани водосброса последнее играет важную роль для уменьшения толщины "крылообразной водной струи" ¿/струи и сокращения диапазона её расхода.

Экспериментально подтверждено, что в точке падения "крылообразной водной струи" имеет место повышенное гидродинамическое давление, на что необходимо обращать особое внимание при проектировании конструкции водосброса, в том числе плиты водобоя.

3. Теоретические и экспериментальные исследования гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах с различными углами наклона низовой грани и размерами ступеней показали следующее:

— коэффициент гашения избыточной кинетической энергии уменьшается с уменьшением относительной высоты водосбросной плотины Р/И кр;

— при одинаковых высоте водосбросной плотины и угле наклона её сливной грани влияние размера ступеней на коэффициент гашения избыточной кинетической энергии по длине ступенчатого водосброса составляет не более 5%, т.е. высота ступени практически не влияет на интенсивность гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах;

— коэффициент гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах уменьшается с увеличением угла наклона сливной грани водосброса, данный фактор не является самым важным при выборе конструкции водосброса;

— при одинаковой высоте водосбросной плотины коэффициент гашения избыточной энергии по длине уменьшается с увеличением удельных расходов и критической глубины. В перепадном режиме течения коэффициент гашения избыточной энергии по длине сразу уменьшается с увеличением удельного расхода и критической глубины, сохраняя значения выше 80%. В переходном режиме коэффициент гашения избыточной энергии по длине сохраняет значения выше 70%. В скользящем (быстротечном) режиме коэффициент гашения избыточной энергии по длине медленно и очень спокойно уменьшается;

— изменения коэффициента гашения избыточной энергии и коэффициента гашения избыточной энергии по длине на ступенчатых водосбросах одинаковы (подобны);

— факторами, влияющими на коэффициент гашения избыточной энергии, являются относительная высота водосбросной плотины, угол наклона сливной грани ступенчатого водосброса, числа Фруда;

— при одинаковых высоте водосбросной плотины и угле наклона её сливной грани в, коэффициент гашения избыточной энергии по длине

ступенчатых водосбросов выше, чем коэффициент гашения избыточной энергии по длине гладких водосбросов примерно в 2,3-2,4 раза;

- ступенчатые водосбросы с водобоем в нижнем бьефе для гашения избыточной энергии потока имеют значения коэффициента гашения избыточной энергии не превышающие 80%, а при малых удельных расходах -90%, т. е. такой комбинированный метод (ступенчатое гашение + гашение водобоем) даёт хороший результат в решении вопроса гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах;

- для расчета значений коэффициента гашения избыточной энергии по длине и коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах получена математическая формализация в виде гиперболической функции (10) и значений коэффициентов определенности (таблица 2).

4. Экспериментальные исследования коэффициента скорости, коэффициента гашения избыточной энергии потока и коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине на ступенчатых водосбросах при различных конструкциях оголовков и быков показали следующее:

- для ступенчатых водосбросов положение точки начала аэрации зависит от величины сбросного расхода, формы оголовка водослива, геометрических размеров ступеней и шероховатости дна водосбросного тракта. Расстояние от начала участка развивающегося аэрированного потока Ь до развития пограничного слоя к эквивалентной высоте выступа шероховатости (ступени) К5 пропорционально критерию Фруда Рг*, определенному по высоте ступени. С увеличением расхода положение точки начала аэрации потока передвигается вниз по ступенчатой поверхности водосброса;

- сравнение опытных значений ЫКХ с значениями, вычисленными по формуле (1.2) в тексте диссертации, в серии А-1 показывают близость их друг к другу, следовательно данную формулу можно рекомендовать к использованию только для водосброса с вакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым;

- для расчета глубины потока в точке начала аэрации /гш>/ может использоваться зависимость (1.3) в тексте диссертации. При этом следует отметить, что наиболее эффективным способом определения глубины потока в точке начала аэрации является инструментальный способ, основанный на использовании современных специальных измерительных приборов, возможностях компьютерной обработки полученных данных и адекватности условий моделирования;

- определен диапазон возможного относительного расстояния от нулевого до мерного створа на водосливе ступенчатого водосброса по критической глубине Ь,!Иьр, а также графики изменения коэффициента скорости

<р при разных и одинаковых удельных расходах на ступенчатой низовой сливной поверхности водосброса с различными оголовками и быками. Скорость развития пограничного слоя на ступенчатых водосбросах в два с лишним раза больше, чем на гладких водосбросах;

— наиболее интенсивное гашение избыточной энергии наблюдалось на ступенчатых водосбросах типа А-2 (модель ступенчатого водосброса с безвакуумным оголовком, и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам Кригера-Офицерова) и типа В-3 (модель ступенчатого водосброса с быками, имеющими "икс-образное" течение за ними);

- экспериментальные значения коэффициента сопротивления трения X в зависимости от относительной шероховатости ступенчатой поверхности К514Я имели большой разброс на поле экспериментальных точек.

5. Сравнительный анализ результатов натурных наблюдений, выполненных китайскими специалистами на ступенчатом водосбросе гидроузла "Да Чао Шан", и опытных данных автора, полученных на физической модели ступенчатого водосброса данного гидроузла в лаборатории, показал, что:

- между отметками ступеней 843,75 м и 828,75 м (с перепадом отметок 15 м) скорости потока по длине увеличивались; при этом на расстояниях 3 см и 8 см от наклонного дна водосброса скорости потока почти не изменялись, т.е. на данной ступени происходила очень сильная аэрация потока, кроме того сказывалось сопротивление ступеней и наблюдалась большая потеря энергии потока. На отметке 843,75 м концентрация воздуха составляла С=35,5%, а на отметке 832,75 м - С=65,1%, то есть аэрация по длине водосбросной ступенчатой грани усиливалась. На отметке 828,75 м концентрация воздуха С=39,98% уменьшалась, потому что данная ступень находилась уже ниже уровня воды в нижнем бьефе;

— среднее пьезометрическое давление на различных участках ступенчатой сливной грани при различных сбросных расходах изменялось в диапазоне 0,2...0,3 м водного столба. Значения максимального давления соответствовали диапазону от 2 до 3 м водного столба и превышали значения минимального давления в среднем в 10 раз. Значения среднеквадратичного пульсационного давления были близки к значениям средних давлений. Минимальное давление соответствовало диапазону 0,2...0,4 м водного столба. Натурный поток интенсивно двигался по поверхности ступенчатого водосброса, а на низовой ступенчатой грани возникал туман.

Кроме того, экспериментальные исследования на физической модели ступенчатого водосброса гидроузла "Да Чао Шан", выполненные автором, показали, что:

среднее давление на оголовке, обратной дуге и водобое значительно

больше, чем на ступенях водосбросной грани. Среднее давление на ступенчатом водосбросе при ФПУ больше, чем при НПУ;

оголовок реального водослива имеет гладкую форму, переходящую в зоне начала аэрации в ступенчатую сливную грань; построенный на участке этого перехода уступ высотой 2 м концентрирует на этом участке большее давление;

в диапазоне 8,8<£,//?K-p<10,8 гидродинамическое давление на ступенчатой грани водосброса (кривая 2, рисунок 11) меньше, чем на водосбросе с гладкой низовой сливной гранью (кривая 1, рисунок И), а в меньших и больших диапазонах LJh^ значения гидродинамического давления на сливных гранях водосбросов практически совпадают, что не влияет на выбор марки гидротехнического бетона для этой грани.

Дальнейшие исследования высокопороговых бетонных ступенчатых водосбросов должны быть направлены на уточнение существующих методик экспериментального обоснования гидравлических режимов и конструкции таких водосбросов, а также на разработку современных компьютерных технологий для упрощения и ускорения гидравлических расчётов подобных водопропускных сооружений.

Список работ опубликованных автором по теме диссертации

В изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации'.

1. Нань, Ф. КНР: современные конструкции бетонных водосбросных плотин со ступенчатой низовой сливной гранью / Ф. Нань // Природообустройство. - 2013. - № 1. — С. 51-53.

2. Румянцев, И. С. Совершенствование конструкций бетонных водосбросов практического профиля со ступенчатой сливной гранью / И. С. Румянцев, Ф. Нань // Природообустройство. — 2013. - № 3. - С. 43-47.

3. Румянцев, И. С. Особенности гашения избыточной энергии потока в нижних бьефах высокопороговых бетонных водосбросных плотин практического профиля с низовой ступенчатой сливной гранью / И. С. Румянцев, Ф. Нань // Природообустройство. — 2013. - № 4. - С. 46-50.

4. Румянцев, И. С. Некоторые особенности гидравлических условий работы бетонных водосбросов практического профиля с низовой ступенчатой сливной гранью / И. С. Румянцев, Ф. Нань // Природообустройство. - 2014. - № 1,-С. 37-41.

5. Нань, Ф. Гидравлические исследования ступенчатых водосбросов при разных углах наклона и размерах ступеней / Ф. Нань, И. С. Румянцев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2014. - № 5-6. - С. 80-81.

6. Нань, Ф. Гидравлические исследования ступенчатых водосбросов различных конструкций / Ф. Нань, Д. В. Козлов, И. С. Румянцев // Гидротехническое строительство. — 2015. — № 8. - С. 29-37.

В других изданиях:

7. Румянцев, И. С. Результаты исследований гидравлических условий работы высокопороговых бетонных водосбросных плотин практического профиля со ступенчатой сливной гранью / И. С. Румянцев, Ф. Нань // Международная научно-практическая конференция «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем». - 2013. — С. 229-238.

8. Nan, F. Modeling Of Flood Routing Through Stepped Spillway Of Water Reservoir Dam / F. Nan, I. Rumyantsev // International Conference on Hydroinformatics. - 2014. - № 375. - P. 1-5. - Режим доступа: http://academicworks.cuny.edu/cc_conf_hic/375

Таблица 1. Ступенчатые водосбросы (исследуемые модели) с различными углами наклона низовой грани и размерами ступеней_

Профиль:о-/

Профиль:а-2

\

Профиль:а-3

Профиль: б-1

Профиль: 6-2

Профиль: б-З

Профиль: в-1

Профиль: в-2

Профиль: в-5

а б Секция модели ступенчатого водосброса, поперечное сечение которого было построено по _координатам WES (а) и концевая прямоугольная часть лотка установки (б)_

Таблица 2. Значения коэффициентов определенности

Угол наклона водосброса 0, градус Высота ступени с/, см Коэффициент гашения по длине низовой грани водосброса к/ Коэффициент гашения кг

а1 Ь, а-> ъ2

40» 16,0 0,0097 0,13419 0,01 0,0286

8,0 0,0098 0,00816 0,01 0,0274

4,0 0,0099 0,1114 0,01 0,0273

50° 16,0 0,0096 0,1334 0,01 0,0277

8,0 0,0097 0,13568 0,01 0,0278

4,0 0,0098 0,13804 0,01 0,0278

60» 16,0 0,0105 0,1215 0,01 0,0271

8,0 0,0101 0,1297 0,01 0,0274

4,0 0,01 0,14862 0,01 0,0280

Таблица 3. Ступенчатые водосбросы (исследованные модели) при

различных конструкциях оголовков и быков

Таблица 4. Ступенчатый водосброс гидроузла "Да Чао Шан"

г»

а - поперечное сечение конструкции водосброса; б - уступ за быками; в - концевые расширения быков в плане; 1 - быки; 2 - ступенчатая сливная грань; 3 - трамплин_отклонитель; г - модель масштаба 1:60_

в

5/(6«<№)

Рисунок 1. Сравнение экспериментальных и

расчетных графиков для переходного гидравлического режима течения: 1 - верхний предел по формуле Й. Ясуды; 2 -нижний предел по формуле Й. Ясуды; 3 - верхний предел по формуле X. Чансона; 4 - нижний предел по формуле X. Чансона; 5 - верхний предел по эксперименту; 6 - нижний предел по эксперименту автора

Рисунок 2. Изменения максимальных значений толщины начала "крылообразной водной струи" Аструи в зависимости от удельного расхода q и угла наклона сливной грани водосброса 0=40° при различных размерах ступеней <1

Нпл/Ьхр

НдлЬхр

Рисунок 3. График изменения коэффициента гашения избыточной энергии по длине на ступенчатом водосбросе при угле наклона сливной грани водосброса (9=40° и высоте ступени оМ 16,0 см

Рисунок 4. Зависимость коэффициента гашения избыточной энергии по длине на ступенчатом водосбросе от критической глубины при высоте ступени с/= 8,0 см с углом наклона сливной грани водосброса 0=40°

Рисунок 5. График изменения коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатом водосбросе при угле наклона сливной грани водосброса 0=40° и высоте ступени с/=16,0 см

Рисунок 6. Графики изменения коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах с углом наклона сливной грани водосброса (9=40° при различных высотах ступеней ¿=16,0, 8,0,4,0 см

Нш1'1кр

Рисунок 7. Зависимости местоположения точки начала аэрации потока от характеристического критерия Фруца /•>•, вычисленного для ступенчатой эквивалентной шероховатости на низовой сливной грани

1,3 2 2,5 3 3,5 4 Рг-

J>l 002 ОЫООбОМа.! 020 ПМЮШ ] 2«1

/ /

......№ У.....

1..............

Рисунок 10. График изменения коэффициента гидравлического сопротивления трения X в зависимости от относительной шероховатости ступенчатой поверхности ЛУ-4Я в сравнении с другими данными (с уточнениями автора): *\А-1\Ш\А-2\ л:А-3; *:В-1; *:В-2;»:В-3

Рисунок 11. График зависимости распределения относительного среднего давления от относительного расстояния от верхней точки водослива до мерного створа по длине на ступенчатом водосбросе гидроузла "Да Чао Шан"

Рисунок 8. График зависимости коэффициента скорости у в сжатом сечении от относительного удельного расхода д/^0-5сР5Р) по разным данным (с уточнениями автора): *:А-1; Я:А-2\ а:А-3;»:В-1\ ■: В-2\ *:В-3

Рисунок 9. График изменения коэффициента гидравлического сопротивления трения неаэрированного потока Я в зависимости от относительной шероховатости ступенчатой поверхности КХ/4Я

Отпечатано с готового оригинал-макета

Подписано в печать 5.10.2015г. Формат 60x84 'Лб-Усл.печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 542.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, Тимирязевская ул., 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-40-64