автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкций устройств нижнего бьефа двухпролетных водопропускных сооружений

ШИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДОуОЕ^СТРОЙСТЗА

ргб ол

', _ л., г ..........На правах рукописи

* 1 I '

ОБА-БУЯ АГАТОН •

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВ НЖН2Г0 БЬЕФА ДБУХПРОШШХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре Гидротехнических сооружений Московского Государственного университета природо-обустройства

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

М.А.ПОПОВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук ' Т.А.АЛИЕВ

- кандидат технических наук, ст.н,с. Б.Б.ДВ0ШН

Ведущее предприятие - "Соаэводпроект"

Защита состоится "НС 1994 года в (О часоз на заседании специализированного Совета К 120.16.01 в Московском Государственном университете природо-обустройства по адресу: 127550, Москва, 11-550, у л .Прянишникова, 19, ауд.й_.

С диссертацией мозно ознакомиться в библиотеке уяиверситета. Автореферат разослан " // " ТАЗклД 1994 года.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент

С.Е.КУЗЬШ

ОНДЛЯ ХАР.еКХЕРИСТЖА РАБОТЫ

Республика Конго, sax а лругг.о стран."; африканского континента, характеризуется низкам уровней развития сельского хозяй-ссза. В условиях реформ экономики и перехода к демократическому правяеняго большое Езгчение приобретают цроблекн совершенствования сельского хозяйства путем строительства келних и средних ГЮфоузлсз.

'Загнш вопросов расчетов водосливных плотин и водосброс- . ных соорузвний гидроузлез средних напороз является рацгоналъков реаенпз вопроса о гашения в нгггнем бьеJ-э избыточной энергии и создаете наиболее благоприятной гпдразяаческоа струг, тури потока на участке сопряжения бьефоз. Релгнле зтого вопроса позволяет сзести до минимума затраты средстз на крепление русла за сооружением. Кногочпсленше случал опасных размизоз русла и гэсрнйные работы сооружений свидетельствует о юм, что используемые до настоящего времени методы расчета сопряжения бьефов далеко не совершенны.

Для малопролетшгх еооругений, работающие з условиях нигхетс и средних напоров, недостаточно изучен зопрос обеспечения отсутствия сбойкостн потока в их нпяних бьефах. 3 настоящее врет разработано бользое количество конструкций малопролетных еооругений и данн рекомендации по их проектировании. Однако нет надэх-них зависимостей для описания закономерностей, проясходяшх в их ннкюис бьефах.

Hps проектировании к расчетной, обосновании таких ссоругя-

нвй кэ-за невысокого их класса и отсутствия приемлемых рекомендаций в основу конструирования я расчетов устройств нижнего бьефа овшбочно применяэг 5еяе принципы, что и для многопрояезннх водосливных плотин. Особенность этих еоорунениЯ состоит в том, что в ах нижних бьефах приходиться гасить эяергзэ потока, херзктзризую-щегося неболБиими значениями числа Фруда в скатом сечения, что стазах под вопрос безоговорочное перенесение закономерностей гидравлического расчета гасителей энергии» полученных в результате гидравлических исследований глогоцроаетных водосливных плотик. Сопряжение бьефов при шлых числах Фруда характеризуется раскачкой бьефов, повиданными волновыми воздействия!®, ойуслозли-вглш возникновение сбойных течений.

Таким образом, имеет большое практическое значение совершенствование методов расчета устройств низнего бьефа и нахождение наиболее рациональных решений по еопрякеню бьефов и расчетных нагрузок на крепление.

Пелъ работы заключается в разработке на основе дадеяьных экспериментальных исследований рациональных конструкций нижнего бьефа двухпролетных водосливных плотин и нахождении врие>.яе.мых зависимостей, а такке в совершенствовании инженерных методов расчета этих конструкций.

Основными элементами научной новизны работа являются:

- результаты экспериментальной оценки эффективности гаие-ния избыточной энергии потока в наанем бьефе водосброса при различных типах гасителей;

- экспериментальные графики для определения относительны* и абсолютных значений осредненных и донных скоростей в отводя-

щем русле при различных регздмах работа водосброса;

- экспериментальные графики распределения огредненннх давлений на элементы крепления нижнего бьефа при различных режимах работа водосброса;

-- экспериментальные графики ргхцредалсния стандартов пульсации дсБленпл для наиболее эффективных конструкций крепленая нижнего бьефа;

- результаты нахождения закона распределения стандартов пульсации давления.

Практическая ценность работы

В результате проведенных исследований даны рекомендации, поззоляэцие подобрать рационаяьнне конструкции устройств нижнего бъе£а, получены графические зависимости по определения кинематических параметров потока и гпдродннгкхческих нагрузок на плиту водобоя и рисбермы б пространствекных условиях работы мало-пролетнах водосбросных сооружений.

Апробаунд

Основное положения диссертации докладызались на заседании касгедрк "Гидротехнические сооружения" КГШ1, на научно-технических конференциях ШЛ 1330-1993 гг.

CtdvkTvng_и_рбъем_работа

Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения, -литературы и приложения. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, иллюстрирована 48 рисунками, 4 таблицами. Список литературы содерзпт 121 наименование, в том числе 2S иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■ Во введении обоснована актуальность тега ;у:ссертации, сформулированы цель и задачи исследований, показали научная новизна работы и практическая цешость.

Б первой глазе приводится обзор литературы, освещена основные результаты анализа работы существующих консгрукш," нижнего Оьефа средних и низконаиорвнх гидротехнических сооружений. Данному вопросу посвящены работы Н.Н.Беляиевского, Ф.Г.Гунько, А.Б.Йас-лова, Н.Н.Пашхова, А.Н.Рахманова, Н.П.Розанова, И.С.Румянцева, йЦСавешникоза, Д.И.Куыияа, Ы.С.Бызго, Д^в.Етеранлихга, В.М.Яят-хера и других ученых.

Детально проведен анализ состояния их работы и обнаружена их аварийная ситуация. Приведенные призеры существующих сооружений показали следующие недостатки:

- поток в нагнем бьефе имеет неоднородный характер, скорости и удельные расхода распределены неравномерно;

- обнаружена появления опасных разшзоз за креплением в нижнем бьефе;

- обнаружены разрушения плит крепления водобоя и рисбсрмы при пропуске максимального расхода;

- обнаружено возникновение сбойного течения при маневрировании затворами.

Для борьбы со сбрйювш течениями рекомендует применять различные гасители энергии. Однако, существующие рекомендации о месте расположения гасителей энергии ка водобое противоречивые и связаны с конкретным типаш конструкций.

При определении количества пролетов и размеров гасителей

рекомендует принимать за расчетный случай пропуск расхода по всему фронту. При этом условия бессбоГшого течения не учитывается. Для гидравлического расчета ничего бьефа известно -больное число различных метода-Однако гти методик:! основаны на различных эмпирических формулах, полученных путем пренебрежения тем или иным фактором (гидростатическое распределение давления вдоль стенки, азтомодельность по числу Рейкольдса и т.д.).

Существующие расчетные зависимости и рекомендации по нагрузкам связаны с конкретными типами конструкции и не ногу г быть применены при расчетах всех гидротехнических сооружений.

Выпеизлояенное обстоятельство показывает, что вопрос проектирования устройств низяего бьефа нельзя считать полностью ревенным, сн нуждается в дальнейшем совершенствовании. Поэтому в заключительной части этой главы сформулирована цель исследований и поставлены их основные задачи.

Во второй главе диссертация рассмотрены вопросы методики проведения экспериментальных исследований. Показано, что рассматриваемые при этом гидравлические явления моделируют по закону гравитационного подобия (по Фруду) с соблюдением авюмодельноста по Рейнольдсу. Масштаб моделирования был выбран 1:50, что позволяло за проз:« тировать модельную установку (рис.1). Эта установка представляет собой металлический гидравлический лоток размером 7,50 х 1,90 х 0,7 и. Диапазон расходоз пропускаемых лотком - от I до 60 л/с. Пределы изменения уклона - 0-0,1 (в опытах уклон да а был равен нуля). Расход воды определялся с помощью мерного треугольного водослива по формуле Барра (Я. = 1,335 Н2,4® м3/с, где Н - напор над кромкой водослива..

Для проведения исследований была построена модель двухпро-

петой водосливной, плотины с креплением в нижнем бьефе. Водослкз-ная часть плотины очерчивалась по координатам профиля Кригера--Офкцерова (профиль "А") и изготавливалась из оргстекла. Высота плотины составляла 0,126 м, ширина одного пропета - 0,2 ы, толщина бычка - 0,05 и. Водобой был расширяющимся (угол расширения 0 = 8°) и шея длину - 0,83 м. Длина крепления бала определена по фородле Д.ИЛушка и составляла = 1,55 где -/щ, -

длина гидравлического прыжка по формуле Чертоусова М.Д.:

-/цр в 10,3 . За водобоем следовали рисбер-

ма и отводящий канал.

Исследованные гасители энергии и конструкции приведены на рис.2 и 3. Исследования проводились при глубине потока в нижнем бьефе, обеспеченной по кривой связи для удельных

расходов ^ - (0,35-1)^^ .

Измерение статических высот, глубин и осредненных давлений производилось пиштценмасттабом и пьезометрами. Для измерения осредненных скоростей потока применялась микровертушка X - 6.

Лабораторные исследования динамического воздействия потока • на элементы крепления ниянего бьефа проводились при помощи датчиков переменного давления чувствительного типа 1ЩЧ-250, изготовленных в БИС Гидропроекта лм.С.И.Еука. Измеряемое давление, воздействуя на мембрану чувствительного элемента преобразователя, деформирует ее, а изменявшие при этом свои величины сопротивления, тензорезисторы преобразуют его электрический сигнал. Синая от датчиков принимался и усиливался тензометрическим усилителем на несущей частоте 4АНЧ-22, записывался магнитографом Н0-62 на магнитную ленту. При записи и контрольном воспроизведении визуализации сигнала осуществлялась с помощьэ электронно-

лучевого осциллографа CI-S8. Продолжительность записи каздой реализации составляла 60 секунд. Оцифровки записанного на магнитную ленту сигнала осуществлялась на ЭВМ CM-I600.

В конце главы выполнена оценка точности экспериментальных дачных. При этом были установлены предельные относительные ошибки измеренных величин: расходов - 0,2-0,3;?; глубина - 0,68-4,76$; скоростей - 1,21-2,6555; осреднении дазлений - 0,53-2,36$; пульсаций давления - 2-4,553.

В третьей главе диссертации излага-отся гидравлические исследования трех типов конструкции.

В начале главы изучены основные формы течения и режимы сопряжения бьефов каждой конструкции при различных расположениях гасителей на водобое - /1 = (3-9 )/с . Проведены оценки эффективности работы изученных конструкций - основные результаты представлены в вида таблиц. Показано, что пасечные гасители не могут быть применены как мера борьбы со сбойным течением, так как при работе с о ору хеши одним пролетом они оказались неэффективными. Пои расположении гасителей 1-го ряда на расстоянии

от сжатого сечения имеются брызги, фонтанирование, водовороты и волны. Хорояее растекание потока наблюдается при работе конструкции 5 2 {rfr = 1,65/^г ; = 1,2 4с ) л й 3 ( 1,4 /с ; = 1,2^ ) когда fz = 94с .

Проведенные исследования позволили получить графики зависимости уровней свободной поверхности () по длине крепления

), Получена так не функциональная зависимость глубины потока на рисберме ) от расходов, пропускаемых на модели.

В конечной части главы изложены полученные экспериментаяь-

- 10 -

ные данные о распределении осреднениях скоростей потока в отводящем русле 3типов конструкции.

Для конструкции # I анализ результатов экспериментальных исследований показал уменьшение придонных скоп ос тал

; по длине отводящего русла. Для диапазона изменения высоты шашек т^г - (0,95-1,25) Ас. придонные скорости не превышались 2,25^"Максималыше значения иаз наблюдаются при близком расположении гасителей = 2 /тс, Реактивный эффект конечных гасителей проявляется при их расположении на расстоянии = Ь^с от с:катого сечения, вследствие чего придонные скорости пмсзт сравнительно низкие значения.

Конструкции йВ 2 и 3 представляют наибольший интерес. Оказалось, что придонные скорости 1/пэ уменьшаются но длине отводящего русла. Некоторые результаты исследований скоростей приведены на рис.4. Для конструкции № 2 ( 1,65 Лс , = 1,2 Лс ) максимальные значения придонтшх скоростей составляют ¿/пд = 1,8'.^ при = 6¿с . Хороший реяим сопряжения бьефов наблюдается при

= 9 Дс поэтому придонные скорости имеют минимальные значения. На формы распределения скоростей в отводящем русле влияет и высота водобойной стенки. Для рассматриваемых высот водобойных стенок (?7С1 = (1,2-1,725)7^:) конструкции И 2 оказалось, что наименьшие значения скоростей наблюдаются при малых высотах водобойной стенки. Подученные 1рафикя распределения придонных скоростей подтвердили, что реактивный эффект гасителя проявляется ггри ■/х^6. Для конструкций 2 и 3 были построены эпюры скоростей на вертикалях и в плане, согласно которым доказана необходимость располагать гасители 1-го ряда на расстоянии = 9¿с. Конструкция й 3 отличается от Я 2 тем, что имеет водобойную стенку, наклон которой направлен в сторону верхнего бьефа. Такая

стенка отличается большой распределительной способность!). Для обеспечения удовлетворительных условий сопряжения бьефов и гашения избыточной энергии потока были рекомендованы конструкции Я 2 (/1 = 1,65^;/от = и Л 3 ( ¿г = 9/с-,,% 1,4/£;

= 1,2/с). В гидравлическом отношении было отмечено преимущество конструкция И 2, по сравнению с конструкцией X 3: отсутствие большого перепада уровней за водобойной стенкой; практическое отсутствие волн на поверхности потека в отводящем русле; хорошее распределение скоростей в плане а вдоль сооружения. В целом полученные графические зависимости придонных скоростей ипэ хорошо согласуются с данными других авторов.

В четвертой главе диссертация изложены результаты гидродинамических исследований трех типов конструкции. В 1-ой части главы приведены результаты исследований осреднениях пьезометрических дазле.чпй на зхементы крепления нгкнего бьефа конструкций 1Ш 1,2 и 3. Исследования прозсдились при симметртном и несимметричном режимах рабом водосброса для диапазона расхода (0,35-1)

Установлено, что характер распределения пьезометрических относительных давлении зависит прекде всего от места

расположения гасителей энергии, режима работы водосброса и пропускаемого расхода. Длл конструкции Л I установлено, что при •Ж' = 1,25/^ , максимальное значение давления наблюдается в прыжковой зоне при -¿1 = 3& и составляет ^ = 0,92Д^ . Такие же результаты были получены для конструкций М 2 в 3 где максимальные значения давления наблюдались в прыжковой зоне при различных высотах гасителей первого ряда. В частности, для конструкции Л 2 - (0,94-0,99,) и для конструкции Я 3

а 0

= 0,99. Минимальные значения давления наблюдались цри расположении гасителей на расстоянии = от сжатого се-

чения. Анализ результатов эксперакенгалытх исследований показывает идентичное распределение давления вдоль крепления: перед гасителями энергии - повышение давления, а за ними - его резкое понижение. Некоторые результаты исследоваш"! приведены на рис.5.

Обобщение результатов пьезометрических исследований позволило констатировать следующее. Распределение осрздненных давлений на элементы крепления низшего бьефа исследуемых конструкций крайне неравномерно вдоль сооружения. Зонами наибольшего гидродинамического воздействия являются элементы конструкции, расположенные в црьгосовой зоне сооружения.

Вторая часть главы посвящена пульсационнны исследованиям конструкций Кй 2 и 3. Основная цель гидродинамических исследований заключалась в определении гидродинамических характеристик потока на плиту крепления, таких как функции спектральной плотности, стандарты пульсации, автокорреляционные функции. Было установлено, что режим работы водосброса и пропускаемые расходы влияют на величины стандартов пульсации давления. Максимальные значения стандартов наблюдались при работе сооружения одним продетом и при пропуске максимального расхода. Некоторые результаты распределения нормированных стандартов пульсации давления

(<У/) приведены на рис.6. Сравнение результатов исследований для 2-х конструкций позволило отметить преимущество конструкции X 2 перед конструкцией № 3, она имеет низкие значения стандартов С = (0,05-0,095)-^ . В обоих конструкциях минимальные значения наблюдались на рисберме.

Анализ функций спектральной плотности показал их раздробленную структуру и распластанный характер, что связано с.аэрированием потока. Полученные- значения ведущих частот спекиров

'(рис.?) У 2 = 0,5-2,5 Гц и I- 3 = 0,4-1 Гц подтверждают отсутствие резонансных явлений, так как процесс происходит в. низкочастотной зоне. Было установлено отсутствие пространстве!»: * связи между пульсациями давления в различных точках (коэффициенты взаимокорреляционных функций меньше 0,1) и нормальное распределение пульсации давления.

В конце главн приведен динамический расчет водобойной плпты и указана необходимость учета пульсации давления при расчете устойчивости плитн крепления.

ВЫВОДЫ

1. Анализ различной литературы показал необходимость разработки конструкции нютего бьефа малопролетных водосбросных сооружений, обеспечизащих удовлетворительную работу при симметричном и несимметричном пропусках расходов. Необходимо усовершенствовать методику расчета таких конструкций.

2. Оценка точности экспериментальных данных показала достоверность полученных результатов.

3. Установлено, что:

- исаечные гасители хорошо разделяют поток, но не распределяют удельный расход при работе сооружения одним пролетом;

- наличие водоворотов на выходе из водобоя свидетельствует о том, что применение шаиек без водобойной стенки является нецелесообразным решением; ' ■

- наличие брызг и фонтанирования при расположении гасителей на расстоянии = З^с от сжатого сечения указывает, что , при проектировании двухпролетных водосбросных сооружений гасители энергии следует располагать на расстоянии 1?^ = (6-9) ¿с ;

- эффективным мероприятием, обеспечивающим благоприятную

- 14 -

картину планового распределения удельных расходов является сочетание .пирсов с водобойной стенкой.

4. Получены экспериментальные графики для прогноза геометрических и кинематических параметров потока в никнем бьефе при различных ревгаюх работы.

5. Осуществлена динамическая оценка работы конструкции. Оказалось, что стандарты пульсации давления имеют более низкие значения при конструкции & 2, чем при конструкции й 3.

6. Доказано, что в проведенных динамических исследованиях пульсации давления распределена по нормальному закону. •

7. Построенные фугкщш спектральной плотности показывают, что изученный процесс является низкочастотным до 20 Гц. Для статического расчета плиты водобоя на динамическое воздействие применяют квазистатическув форму загрукенкя по максимальному значению нагрузки.

8. Малопролетные водосбросные сооружения недостаточно изучены. Позтолу в дальнейших исследованиях считаем целесообразным продолвигь:

- изучение геометрических параметров потока на откосах отводящего русла;

- исследование возможных гидравлических ренимов и диапазонов работы гасителей при переходе от малопролетных к многопролетным водосбросным сооружениям;

- изучение гидродинамических нагрузок на элементы крепления низшего бьефа;

- исследование закономерностей переформирований речного ДпЗ и берегов 2-х, 3-х и 4-х пролетных водосбросных с о ору гений с учетом влияния гидрографа реки на процесс переформирования дна в отводящей русле«

cos/

о ■—

~ X

a a

ч a.

О fr.

í» О

« s

о a

я о

s

4

a

егр/

- IS

. a. ¿¡fa wKu /пила т.

С. C/t.iou/ytaff ¿оЗеЗс&над сл>ен£&

' /пила J.

4>

< s" S S s ■ ! 'S S -'V

tZ»S

V W --

tbs i

i . ! ,

V

(a9s...¿2s)fic 6. Сплошная £o2c¿oúnag

eme ¿iiza типа JI

5. Шашки шила U

о. s 6 Sr

h„'fos...í.6)Ac

jï,*t5Sr ; 6r -f lhe%

д. Шаа/ли типа III. o?hr

■ Рис. 2. Исслздуеиыа гасителя

эн80ген

Рис.З. (Продолхзклв)

Схеш исслед/сшх гипоз конструкции а) конструкция j» I, Ö) конструкция 9 2, в) конструкция Л 3

Ч2> ¡со- —

л гь ¿о

А? Аз

Рис.4.

а - изменение относительных придонных скоростей вдоль отводящего русла конструкция я 2

I - = з/с. £ = 9,13; 2 - ^ = 3/С , = 12.08

3 -= = 15'335

5 - /, = в^:. = 9,13; 7 - = 15,33;

9 - ^ = 9^, - 9,13; IX - ^ = 9/£, ^ = 15,33

4 - ^ = 3/С = 19'55 6 - = б/с , = 12.°9 8-^=6/< ,Уг1 = 19,55 10 - ^ = 9 £ , ^ = 12,08

Pus.4. (Продолжение) б -' конструкция Я 3

Л-1& 1-тС= 9.13 s - FLC =15,33

' 2 - ptL = 12,08 4 - Ac =19,55

/ 5-^= 9,13 7-Дс =15,33

6-s4o=I2,08 8 -/ác =19,55

9-/ъ.= 9,13 II - Ас. =15,33

4 = ftfe и = 12,08 U -ft£ ■ = S. il} {,= S¿c

г,* с л.

tss *2 0 43

Рис.4 .в. Распределение скоростей по вертикалям

£m¿.3

У

Е7

/о.

1—i—i—г

. i-Fzt = Ä/J7 2-Гг< =JZOSi 5-Fzf "Í5.33; i'Fi, ,i9.55_

s , .я -ам

Л9л

2_

/-/г,=2/J;^-/г—4-Гг? /f.S3; S-ßt^nsS.

9 IS

Ч/у

Рис .5. Распредзяекие осредаенного давления вдоль крепления конструкции Jf Па), « 2 (б), S3 (в)

давлеш'д вдоль ионструшил S 2 (а) и Я 3 (б)

за)

«1Яг— ин-

ая

шз»

ею.. Л

«Л* • \ 1 N Л

И ч Л< л

»юг V с\

—1-!-

Рис.?. вункдаи спектральной плотности в точках 3 (ДЗ) и 4 <Д4) при пропуске ¿? - конструкция Я 2 (а) и конструкция ** Я 3 (б)