автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчёта и проектирования шахтных водосбросов речных гидроузлов

бр^/ На правах рукописи 005051005 ГУРЬЕВ Алим Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

Специальности:

05.23.07 - Гидротехническое строительство 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

18 НАР 2013

МОСКВА 2013

005051005

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный униве|к природообустройства» на кафедре Комплексного использования водных ресурсов.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор ФГБУ «Рос НИИПМ» Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Юрий Михайлович Косиче

- доктор технических наук, профессор кафедры гидротехнических сооружений Российского университета дружбы народов

Борис Анатольевич Животовс

- доктор технических наук, заведующий кафедрой гидравлики ФГБОУ ВПО «М ковский государственный строительный университет»

Андрей Львович Зуйк

Ведущая организация ЗАО ПО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева

Защита состоится {0-06'2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного вета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустрой ва (МГУП) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского госуда > венного университета природообустройства

Автореферат разослан £Н • 03 • 2013г.

Отзывы на автореферат и диссертацию могут быть направлены \уеЬ/т5иее@§та11. сот.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент ^ " ^У/ И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Шахтные водосбросы относятся к сооружениям, активно используемым в гидро-хническом строительстве уже около 90 лет. Тем не менее, исследованиям их рабо-посвящено значительно меньше научных трудов, чем другим гидротехническим оружениям. В довоенные годы были заложены основы теоретических расчётов »эточной части шахтных водосбросов трудами А.Н. Ахутина, Т.В. Ивановой, А.И. евко, H.JI. Ролле. А.М. Бинне, Р.К. Врихта, Ц.С. Кампа, И.В. Хове. В послевоенные ды резко возрос интерес к теоретическим исследованиям шахтного водосброса по-е появления работы Вагнера, посвящённой исследованиям кольцевого водослива с грой кромкой. В СССР появляются работы Н.И. Романько, В.Г. Скряги, С.В. Соко-овского, П.П. Мойса, Г.Н. Мусаева, A.A. Карфиляна, С.П. Лаврентьева, Н.Т. Кавеш-кова и др. Из зарубежных учёных, изучавших работу шахтных водосбросов следу-отметить В.Е. Вагнера, И.Н. Бредли, AT. Петерку, П. Новака, И Кабелку. История оектирования водосливной поверхности шахтного водосброса повторила историю рмирования водосливов практического профиля, сливной поверхности которого идавали форму нижней поверхности струи, формирующейся на водосливе с острой омкой для получения безвакуумного профиля. При этом следует отметить некото-ый консерватизм в практике зарубежного проектирования шахтных водосбросов. До его времени методика проектирования проточной части ствола шахтных водосбро-ов основывается на работе Вагнера 1954г.

Методика некоторых аспектов гидравлических расчётов шахтных водосбросов ключена в соответствующие "Рекомендации по гидравлическим расчётам" и гид-авлические справочники. Тем не менее, до сих пор нет чётко разработанных метоле гидравлического расчёта шахтных водосбросов как единого водосбросного со-ружения, состоящего из водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена, олее того, существующие работы, посвященные, в основном, гидравлическим рас-ётам водоприёмной воронки, позволяют запроектировать четыре варианта очерта-й её сливной поверхности. Таблицы для расчёта очертаний профиля воронки, при-денные в справочной литературе, дают возможность определить координаты сливой поверхности только воронки на высоте 3...5 расчётных напоров в пределах ...10 метров.

К недостаткам существующих методов расчёта шахтных водосбросов также мож-о отнести неучёт возможностей производства работ по их сооружению. Прежде все-о, следует отметить, что технология производства работ находится в некотором про-[воречии с технологией, необходимой для сооружения так называемого "идеально" очертания внутренней поверхности шахты. Внутренняя поверхность водоприём-ой воронки и ствола шахты выполняется вогнутой в поперечном направлении и выпитой в продольном. С геометрической точки зрения она представляет собой трёх-ерную поверхность. Современные методы производства работ не имеют возможно-•и выполнять опалубку для таких поверхностей, в связи с чем, они аппроксимиру-

ются системой усечённых конусов, вписанных в продольный профиль шахты, ч влечёт создание в процессе строительства сливной поверхности с переломами, слу жащими очагами формирования отрывных течений с образованием кавитационн опасных зон. Для устранения этих недостатков, в процессе проектирования шахтн) водосбросов автором была разработана конструкция шахтного водосброса с полито нальным поперечным сечением, устраняющая эти противоречия.

Конструкция шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением : щищена патентами РФ №2250951 от 25.03.2003 г и 2341615 от 14.02.2007 г По те ническому решению этих патентов, институтом ЗАО ПО "Совинтервод" запроею ровано для Сирийской Арабской Республики шесть шахтных водосбросов для гидро узлов с напорами от 25 до 45 м и расчётными расходами от 65 до 400м3/с. ЗАО "с рубежводстрой" для Алжирской Республики автором был запроектирован шахпп водосброс полигонального поперечного сечения гидроузла Джедра с напором 55 м расчётным расходом бЗбм^с.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является проведение а! лиза существующих методов расчёта шахтных водосбросов и разработка констр> ции шахтного водосброса, обеспечивающего возможность с минимальными затрат ми реализовать проектные решения в процессе их строительства, а также разработат комплексную методику, позволяющую выполнить гидравлические, конструктивны и прочностные расчёты шахтного водосброса, преимущественно башенного типа.

В соответствии с поставленной целью в работе необходимо было решить еле дующие задачи:

- проанализировать существующие методы расчёта шахтных водосбросов, наибо лее отвечающих реальным условиям движения воды;

- разработать конструкции шахтного водосброса, отвечающая возможностям про изводства работ;

- выполнить теоретическое обоснование геометрических параметров шахтно водосброса полигонального поперечного сечения;

- разработать теоретические основы расчёта гидравлических параметров пото по всей длине проточного тракта шахтного водосброса;

- экспериментально изучить работу шахтного водосброса полигонального попе речного сечения на физической модели;

- изучить распределение осреднённого гидродинамического давления по все длине проточного тракта шахтного водосброса полигонального поперечного сечения

- изучить кинематическую структуру потока в сопрягающем колене;

- на основании результатов модельных гидравлических исследований разработа расчётные зависимости для гидравлических расчётов шахтного водосброса полито нального поперечного сечения;

- разработать теоретическое обоснование кинематических параметров потока сопрягающем колене, работающем в безнапорном режиме;

- разработать методику определения расчётных напряжений в сечениях ствола хты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик попе-

чного сечения по его длине;

- разработать методику определения расчётных напряжений в сечениях ствола хты при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии на ствол

хтного водосброса башенного типа;

- разработать методику определения оптимальных конструктивных параметров хтного водосброса башенного типа.

Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации результатов зазнается в следующем:

1. Выполнен анализ существующих методов расчёта проточного тракта шахтных досбросов, позволивший выявить из них наиболее соответствующий реальным

ловням движения воды.

2. Выявлен разрыв между теорией расчёта проточного тракта шахтного водосбро-и технологическими возможностями строительства, не позволяющими реализовать практике теоретические параметры проточного тракта шахтного водосброса.

3. Разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного чения, устраняющая разрыв между теорией расчёта проточного тракта шахтного досброса и технологическими возможностями строительства. Конструкция защи-ена двумя патентами РФ на изобретения.

4. Выполнено теоретическое обоснование параметров проточного тракта и внеш-его контура ствола шахтного водосброса башенного типа.

5. Выполнено теоретическое обоснование возможности применения вакуумных головков водоприёмной воронки.

6. Выполнены теоретические расчёты по определению осреднённого гвдродина-ического давления на криволинейную поверхность сопрягающего колена, рабо-

ощего в безнапорном режиме.

7. Проведены детальные модельные гидравлические исследования шахтного во-осброса полигонального поперечного сечения, работающего как в напорном, так и

знапорном режиме.

8. Изучено распределение гидродинамического давления по длине и периметру сточного тракта шахтного водосброса полигонального поперечного сечения,

юпочая вогнутую поверхностью сопрягающего колена.

9. Определены коэффициенты сопротивления сопрягающего колена при его рабов безнапорном и напорном режиме.

10. Разработана методика определения расчётных напряжений в сечениях ствола яхты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик попе-

чного сечения по его длине.

11. Разработана методика определения расчётных напряжений в сечениях ствола исты при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии.

12. Разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров эхтного водосброса башенного типа.

На защиту выносятся следующие положения

- новая конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;

- теоретическое обоснование расчёта сливных граней ствола шахты без образования рёбер перегиба по всей длине проточного тракта от гребня водопргёмной в ронки до отводящего водовода;

- теоретическое обоснование возможности использования вакуумных оголовк круглоцилиндрического поперечного сечения водоприёмной воронки;

- теоретическое определение параметров свободнопадающей струи при давлен I в подструйном пространстве, отличном от атмосферного;

- расчётные зависимости для определения пропускной способности шахтного в досброса полигонального поперечного сечения;

- результаты изучения распределения осредлённого гидродинамического давления на сливную поверхность ствола шахтного водосброса полигонального п перечного сечения;

- результаты изучения вакуума на оголовке водоприёмной воронки ствола та-ного водосброса полигонального поперечного сечения;

- результаты изучения распределения осреднённого гидродинамического давл ния на пересечениях сливных граней ствола шахтного водосброса полигональног поперечного сечения;

-теоретическое определение распределения осреднённого гидродинамическог давления на криволинейную поверхность сопрягающего колена при его безнапорно режиме работы;

- результаты изучения кинематических характеристик потока и потерь энергии сопрягающем колене при его безнапорном режиме работы;

- методика расчёта напряжений в стволе шахтного водосброса башенного типа ветрового, волнового и сейсмического воздействия;

- методика определения оптимальных параметров ствола шахтного водосбро полигонального поперечного сечения башенного типа.

Практическое значение работы. Практическая ценность результатов, получен ных в диссертации, заключается в следующем.

Анализ существующих методов расчёта параметров водосливной поверхност ствола шахты позволил выделить наиболее достоверные решения, соответствующи физическим явлениям, сопровождающим движение воды в стволе шахты, и позво ляющие запроектировать оптимальные конструкции.

Установлено, что внимание исследователей и авторов справочной литературы по священо только расчётам проточного тракта шахтного водосброса. При этом совер шенно не учтён тот факт, что современные технологии строительства не позволяю реализовать на практике поверхности, которые получены по результатам гидравли ческих расчётов. Одновременно, отсутствуют рекомендации по проектировали внешнего контура шахтных водосбросов и расчётам прочности конструкции.

Для устранения выявленных недостатков расчётов шахтных водосбросов, разра ботана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения,

иводящая в соответствие гидравлические расчёты шахтного водосброса и техноло-еские возможности его возведения. Обоснована конструктивная необходимость ношения поперечного сечения ствола шахты в виде многоугольника с числом аней, кратным четырём. При этом четыре грани выполняются в виде криволинеи-< трапеций, а остальные грани в виде криволинейных треугольников. Разработана методика расчета параметров водосливных граней проточной часта хтного водосброса полигонального поперечного сечения для 12-и, 8-и и 4-■анной сливной поверхности.

Теоретически обоснована возможность применения на шахтных водосбросах по-гонального поперечного сечения вакуумных круглоцилиндрических оголовков, ыполнены подробные модельные исследования шахтного водосброса полигональ-ого поперечного сечения с 12-игранной водоприёмной воронкой, позволившие почить:

- зависимость пропускной способности шахтного водосброса с неподгопленным и одтопленным режимом работы водоприёмной воронки для различных условий кон-

зуктивного оформления водоприёмной воронки и параметров акватории, в которой

становлен шахтный водосброс;

-изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на оголовке

одоприёмной воронки и сливных гранях;

- изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на

- при его безнапорном режиме работы изучено распределение осреднённого гид-одинамического давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена и кине-

атические характеристики потока;

- изучена кинематика потока в выходном сечении сопрягающего колена с коакси-ьными криволинейными поверхностями, работающего в напорном режиме для ух высот колена;

- предложены расчётные зависимости определения коэффициента расхода для ря-вариангов конструктивного оформления водоприёмной воронки с неподгопленной

с затопленной водоприёмной воронкой и обобщённая зависимость, расчёты по корой, по сравнению с оригинальными зависимостями, отклонения коэффициентов

асхода не превосходят ±2%.

Получены расчетные значения коэффициентов кавитации в проточном тракте вола шахты полигонального поперечного сечения с эллиптическими образующими, озволившие сделать вывод о кавитационной безопасности сливной поверхности вола на основании данных модельных исследований.

Установлено, что на цилиндрическом оголовке водоприёмной воронки шахтного одосброса полигонального поперечного сечения максимальный вакуум в два раза еныпе, чем на таком же прямолинейном водосливе. Это позволяет использовать •гкуумные оголовки на шахтных водосбросах при напорах, достигающих Нмакс=4.3м. ри этом коэффициент расхода повышается до величины т=0.52 по сравнению с оэффициентом расхода /я=0.43...0.45 шахтных водосбросов безвакуумного профи-

Выполнены теоретические расчёты распределения осреднёниого гидродинамиче ского давления на криволинейную грань сопрягающего колена при безнапорном ре жиме работы. Сопоставление результатов расчётов с данными экспериментов пока зало хорошую сходимость в широком диапазоне расходов.

Разработаны методические рекомендации с примерами расчёта напряжений в по перечных сечениях ствола шахты по высоте с учётом:

- собственного веса:

- ветровой нагрузки;

- волновой нагрузки;

- сейсмических воздействий.

Приведен пример определения оптимальных параметров очертаний ствола шах1 для варианта с сейсмическим воздействия и при его отсутствии.

Достоверность полученных результатов подтверждена двумя патентами Р которые выдаются на работоспособные технические решения, выполнение котор] возможно практически, а также результатами модельных исследований шахтно водосброса полигонального поперечного сечения в широком диапазоне конструктив ных и гидравлических параметров.

Методы исследования: теоретические расчёты и модельные гидравлические ис следования.

Реализация работы. На основании теоретических расчётов и конструктивш проработок запроектировано шесть шахтных водосбросов для Сирийской Арабско республики и один шахтный водосброс для Алжирской Народно-демократическо республики. Параметры и работоспособность шахтного водосброса гидроузла Джед ра в АНДР подтверждены гидравлическими исследованиями на модели в масштаб 1:60 натуральной величины. По требованию «Заказчика», в процессе модельных гид равлических исследований был снят полуторачасовой фильм. Замечаний к результа там исследований не было, и по этому гидроузлу объявлен тендер на строительство.

Апробация работы. Тематика основных положений диссертации и результап исследований докладывались на научно-технических конференциях в Московско государственном университете природообустройства в 2003-2012 г.г., на Всероссий ской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Моей ВВЦ, июль 2004 г.), на 3-й научно-технической конференции "Гидроэнергетика. Но вые разработки и технологии" - 2008г., на 4-й- 2009г, на 5-й- 2010г., ВНИИГ I. Б.Е.Веденеева, Санкт-Петербург, на четвёртом всероссийском совещании гидроэнер гетиков "Гидроэнергетика России. Развитие. Надёжность. Безопасность." кругль стол №3, 20Юг Москва., на международной научно-практической конференш МГУП "социально-экономические и экологические проблемы сельского и водно: хозяйства", 20 Юг, Москва.

Публикации. Основные положения по вопросам, затронутым в диссертаци опубликованы в 27-и печатных работах, в том числе 17 публикаций в изданиях п перечню ВАК и двух патентах РФ.

Личный вклад. Настоящая работа выполнена в порядке личной инициативы ав-ра. Все модели, исследования и обработка основных данных экспериментов вы-лнены автором.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, ;ьми глав с частными выводами, общих выводов, библиографии (184 наименовая из которых 27 на иностранных языках) и приложения. Содержит 439 страниц ашинописного текста, в том числе 33 таблицы, 244 рисунка и 10 приложений. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана её научная и практиче-1я значимость, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, шосимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ существующих методов расчёта и проектнрова-я шахтных водосбросов, в основном, башенного типа. Шахтные водосбросы явля-•ся одним из самых «молодых» водосбросных сооружений. Появление шахтного одосброса вызвано строительством гидроузлов в горных районах в условиях стесанных створов, когда строительные расходы приходится пропускать через специ-ьные строительные туннели. После завершения строительства эта туннели герме-зировались созданием бетонной пробки. Для повышения экономичности строи-льства строительные туннели стали использовать для пропуска эксплуатационных асходов, для чего устраивали шахту для впуска воды в туннель ниже пробки. Устье яхты выполнялось в виде воронки с плавными очертаниями и размещалось в выеме, к которой из водохранилища подводилась вода. При какой конструкции подвода оды на гребне воронки возникал перекос потока, сопровождающийся интенсивным ращением воды в шахте, что вызывало динамические нагрузки и уменьшение про-скной способности. Перемещение шахты в сторону верхнего бьефа привело к по-лению сначала комбинированных шахтных водосбросов, у которых только водо-иёмная воронка размещалась в водохранилище, а затем и башенных водосбросов, у оторых весь ствол шахты размещался в акватории водохранилища. Такая конструк-я шахтного водосброса получила широкое применение не только в сочетании с водящим туннелем, но и с железобетонной трубой, размещаемой под основанием отины или в её теле.

Шахтный водосброс как комплексное гидротехническое сооружение состоит из гаги конструктивных элементов: водоприёмной воронки;

ствола шахты с участками переменного и постоянного поперечного сечения;

- сопрягающего колена;

- отводящего водовода;

- энергогасящей конструкции.

Классифицировать шахтные водосбросы можно по конструктивных особенностям сполнения этих основных конструктивных элементов.

На рис. 1 представлен продольный разрез по оси шахтного водосброса.

В составе этого водосброса отводящий водовод и энергогасягцее концевое yq ройство являются самостоятельными сооружениями, которые в значительной стеш ни не связаны с конструкцией шахты, так что собственно шахтный водосброс состс ит из водоприёмной воронки, ствола шахты и сопрягающего колена, которые и pas сматриваются в дальнейшем.

Во второй главе рассмотрено современное состояние расчётов и проектирован; шахтных водосбросов башенного и шахтнобашенного типа. Последовательно прс анализирована работа водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена. Вод приёмная воронка шахтного водосброса представляет собой кольцевой водослив, ка правило, круглоцилиндрической формы с центральным углом 360°. Форма струи коэффициент расхода кольцевого водослива зависят от отношения напора H к радщ су кривизны R гребня воронки. При отношении H/R--+0 криволинейный водосли превращается прямолинейный водослив.

Рис. 1. Конструкция шахтного водосброса:

1-водоприёмная воронка;

2-переходной участок с переменной площадью поперечного сечения;

3-ствол шахты с постоянной площадью поперечного сечения;

4-сопрягающее колено;

5-отводящий водовод

Таким образом, параметры прямолинейного водослива могуг служить критериям! оценки физической обоснованности зависимостей, рекомендуемых для расчёта про пускной способности шахтных водосбросов, в связи с чем, выполнен анализ пара метров потока и коэффициента расхода прямолинейного водослива с острой кром кой. Аппроксимация данных Базена по распределению давления в поперечном сече шш максимального подъёма нижней поверхности струи на водосливе с острой кром] кой позволила теоретическим путём получить величину коэффициента расходе »2=0.507 для напора в этом сечении. Базен получил для этого сечения величия} т-0.506, a P.P. Чугаев приводит значение т=0.504

Одними из основных характеристик, определяющих конструкцию водоприёмной воронки, являются очертания её сливной поверхности и значение коэффициент рас^ хода. Как и для профиля прямолинейного водослива практического профиля, профиль сливной поверхности водоприёмной воронки пригашался по очертанию нижней поверхности струи, переливающейся через водослив с острой кромкой. При этом траектория струи рассчитывалась как траектория точечного тела, свободно падающего с начальной горизонтальной скоростью, равной средней скорости потока на гребне

водослива в сечении с максимальным подъёмом нижней поверхности струи. Однако, попытки обеспечить нулевое избыточное давление на контакте струи с оголовком водосливной поверхности не увенчались успехом.

Для выяснения влияния избыточного давления в подструйном пространстве на траекторию струи нами выполнены соответствующие расчёты, в результате которых получены уравнения, позволяющие определить координаты нижней и верхней поверхности струи при наличии избыточного давления в подструйном пространстве, которые имеют вид:

2»= 4-. (1 + z'2) • (1 + -Р- • л/Й^5) V y-h

z'=

y-h

(1)

dz _ d2z „ ,

где z1 = —, z =-, p - избыточное давление под струёй, А-толщина струи а у-

dy dy2

удельный вес воды.

Система уравнений (1) не имеет общего решения и рассчитывается методами численного анализа. Для проверки достоверности решения по (1) была вычислена траектория движения тела с точечной массой, которая полностью совпала с траекторией падения твёрдого тела, брошенного с начальной горизонтальной скоростью.

Профиль струи на кольцевом водосливе определяется двумя факторами: увеличение скорости за счёт ускорения свободного падения уменьшает толщину струн, а уменьшение периметра струи по мере удаления от сливной кромки вызывает её утолщение. Это приводит к тому, что на некотором расстоянии от кромки кольцевого водослива происходит смыкание струи и дальнейшее её движение осуществляется по закону свободнопадающего потока. Одно из первых теоретических решений для профиля сливной поверхности водоприёмной воронки дал А.Н. Ахутин. Приняв прямоугольной эпюру скоростей во всех поперечных сечениях струи, А.Н. Ахутин получил выражение для определения координат осевой струйки гну относительно середины струи в сечении на гребне водоприёмной воронки z=(glf)l(2V20) и толщину струи h=qR/(R-y)/U, где ^-удельный расход на гребне водоприёмной воронки, R- его

радиус, а U = yjv* + 2 • g • z -средняя скорость в сечении. Очертание воронки и поверхности струи получается при отложении половины толщины струи вверх и вниз по нормали к оси струи. Реальные траектории движения воды отличаются от расчётных, полученных по методу А.Н. Ахутина. Тем не менее, в ряде справочных изданий он до сих пор рекомендуется для построения профиля водоприёмной воронки.

Наибольшее влияние на развитие методов расчёта шахтных водосбросов оказала работа Вагнера, в которой изложены результаты изучения движения воды через кольцевой водослив с острой кромкой. Им составлены таблицы для построения нижней и верхней поверхности струи для относительных напоров H/R до 0.7. Аналогич-

11

ные исследования были выполнены В.Г. Скрягой и Н И. Романько, которые дз, свои значения соответствующих координат свободной поверхности струи. П.П. Мо предложил профиль сливной поверхности воронки выполнять эллиптического оч-тания. На рис. 2 представлено сопоставление профилей воронки по этим методик, расчёта. Как видно по рис. 2, получаются достаточно разнящиеся профили сливн поверхности

воронки шахтн водосброса, в завися ста от принятого мете расчёта. Авторы сш| вочной литературы, i священной расчёт шахтных водосброс; рекомендуют исполь. вать способы расчёта зависимости от соб венных предпочтен! При этом следует от. тить, что одновремен предлагается нсско; способов без их срав тельного анализа, вызывает определённ затрудаения их приме ния при проектирован шахтных водосбросов.

Для упрощения кон рукции в продольн сечении ствол шахтн водосброса выполняем либо цилиндрически! либо, сужающимся счёт ускоренного две ния воды.

. > WJ V

X

\ \

ч N ч

ч N

V ч

» \ \

\ \ \

V

ч \ \

\ V

ч \ \ \

\ \ 1 IJ

\ \ А

\ 5

V В

S

\ Д

\ И

■А

\\

1

»

\ f

*

\

01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 П 12 Расстояние по горизонтали от гребня воронки у, м

Ахутнн -МоЯс

- Скряге, Вагнер ■ ось ствола шахты

— - - — Романько

j

Рис. 2. Сопоставление очертания сливной поверхности воронки шахты Оуахи

При выполнении ствола цилиндрическим, ниже сечения смыкания струй следу» подводить воздух для срыва вакуума. Одним из важных конструктивных элемент« шахтного водосброса является колено, сопрягающее ствол шахты и отводящий вод вод. Первые шахтные водосбросы выполнялись с круглоцилиндрическим попере ным сечением всей конструкции с коленом и отводящим водоводом одного диаметр Это приводило к тому, что ниже сечения смыкания струй за счёт ускоренного пад< ния воды происходит отрыв потока от стен ствола шахтного водосброса с образов 12

J

ием зоны глубокого вакуум. Периодически, в эту зону прорывается воздух, который эывает этот вакуум и вызывает выброс воздуха из ствола шахты, как это показано а фото рис. 3. Такой режим работы шахтного водосброса создаёт неблагоприятный гжим работы шахтного водосброса и большие и большие динамические нагрузки. Предотвращение этого явления удалось достичь увеличением диаметра ствола ахты и подвода воздуха ниже сечения смыкания струй. При работе всего

водопроводящего тракта шахтного водосброса в напорном режиме, на выпуклой поверхности колена создаются условия для возникновения кавитационной эрозии. Для исключения этой опасности, стали использовать отводящие водоводы, работающие в безнапорном режиме во всём диапазоне расходов. С этой целью в сопрягающем колене стали устанавливать отклоняющие носки во входном сечении колена и отрывающие поток от выпуклого потолочного участка.

Пропускная способность шахтного водосброса при неподтопленном режиме рабо-I водоприёмной воронки определяется расходом через её гребень, который рассчитается по общей формуле расхода через водослив:

д = £ = т-Ъ-^Т^Н1 , (2)

е Ща Л и Н соответственно коэффициент расхода, радиус гребня водоприёмной ¡ронки и напор на нём, а п, / и В число элементов, стесняющих водосливной эонт, их толщина и коэффициент сжатия, принимаемый: е = 1 при п = 0 и е = 0.9 при

Ф 0.

Сложность гидравлических явлений, происходящих в шахтных водосбросах, не »зволила создать единой теории их расчётов, что привело к появлению большого 1личества типов построенных конструкций.

Интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение работы шахтного во-•сброса началось после появления в 1954 г работы В.Е. Вагнера, в которой он изло-лл результаты исследований кольцевого водослива с острой кромкой. В этой работе >ши приведены очертания верхней и нижней поверхности свободной струи, перели-ющейся через водослив с острой кромкой, в зависимости от относительного напора на гребне. Теория расчётов и проектирования шахтного водосброса прошла путь [звития теории расчётов и проектирования водослива безвакуумного профиля. В личие от прямолинейного водослива, профиль свободной поверхности потока на ахтном водосбросе имеет меньшую кривизну за счёт уменьшения радиуса ствола

Рис. 3. Выброс воздуха из шахты шахтного водосброса гидроузла

шахты по мере удаления от гребня водоприёмной воронки, что вызывает уменьшение коэффициента расхода тем больше, чем больше относительный расчётный напор на гребне водоприёмной воронки H/R. Одновременно, при уменьшении напора на гребне водоприёмной воронки с профилем, очерченным для данного расчётного напора Нр, происходит уменьшение коэффициента расхода, как и на прямолинейном водосливе. В результате исследований появилось большое количество экспериментальных зависимостей для определения коэффициента расхода, которые давали значительные расхождения для одних и тех же параметров шахтных водосбросов. Наиболее соответствующей физика явлений следует признать двучленную формулу П.П. Мойса, которая для расчётного напора Нр имеет вид:

т0 =(0.507-0.136-Нр /R) (3)

По этой зависимости при R —> оо должен получиться коэффициента расхода для прямолинейного водослива безвакуушюго профиля, в который превращается коль-цгвой водослив. В этом случае по П.П. Мойсу то = 0.507 - Аналогичная зависимость

FO В.Г. Скряги даёт то - 0.56, а Н.И Романько та = 0.536. Для напора относительно высшей точки подъёма нижней поверхности струи на водосливе с острой кромкой т0-0.506, чему соответствуют расчёты по формуле П.П. Мойса. В реальных условиях работы шахтного водосброса на коэффициент расхода влияют условия подхода воды к годоприёмной воронке, высота расположения гребня воронки над дном Р/Нр, наличие противоводоворотных устройств и величина относительного напора H/R. Для шахтного водосброса, выдвинутого в верхний бьеф водохранилища, глубине воды перед водоприёмной воронкой Р>2Н в зависимость (3) вводятся поправочные коэффициенты апр и <v„0 учитывающие наличие конструктивных элементов на водоприёмной воронке и изменение напора на её гребне:

т = (4)

Шахтный водосброс, по преимуществу, выполняется как нерегулируемое водосбросное сооружение, которое начинает работать с напора, который превосходит величину капиллярного натяжения воды на гребне водоприёмной воронки. Эта особенность шахтного водосброса позволяет уменьшить величину максимального расхода за счёт трансформации паводков ливневого характера и снизить высоту плотины. Снижение напора учитывается в (4) поправкой на полноту напора aH/Hcn однако его значения ограничиваются нижним пределом напоров ДИШ|=(0.25...0.3)//расч, что ran же затрудняет гидравлические расчёты шахтных водосбросов.

Результаты экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса зависят от масштаба модели. Для уточнения коэффициента расхода П.П. Мойсом предложена формула, в которой масштаб модели учитывается числом Рей-иольдса Re:

¿gr <5>

Однако, использовать зависимость (5) для вновь проектируемых сооружений не-зможно, поскольку масштаб исследованной П.П. Мойсом модели будет отличаться масштаба, для которого выведена зависимость (5). Для устранения этого недостатками выполнены соответствующие преобразования, позволяющие выполнить очнение величины коэффициента расчёта уже на стадии проектирования. Это вышние имеет вид:

0.00427-Я'176 /64

г -1+-г—, «я»

Л<я „0.784 1/1176

т • л

& НрпН- расчётный и текущий напоры проектируемого сооружения, а т - коэф-щент расхода, рассчитанный по (4).

Большинство построенных шахтных водосбросов рассчитано на пропуск макси-:ьных расходов с затопленным режимом работы водоприёмной воронки и с тарным режимом работы всего водопроводящего тракта. В этом режиме работы про-скная способность шахтного водосброса в общем виде определяется по формуле схода напорного водосброса исходя из предположения нулевого давления в видном сечении ствола шахты: __

б = + + (7)

е е - коэффициент сжатия потока, <р - коэффициент скорости, определяемый как:

; (8)

1

я>=-

г V

(О

v цр у

210

е: а-1 + - коэффициент Кориолиса,(Увых и о, - площадь расчётного сече-

[ потока, по которому рассчитывается величина местного сопротивления, Н -юр на гребне водоприёмной воронки, Ъа- расстояние от гребня водоприёмной во-нки до выходного сечения ствола шахты и а - расстояние от него до сжатого сече-

:-,С1ср,1^ср,(0^р - коэффициент Шези, гидравлический радиус и площадь попе-чного сечения, вычисленные по среднему сечению /-го участка длиной /,, и к - коэффициенты сопротивления водоприёмной воронки и сопрягающего колена,

количество участков, по которым определяются потери по длине. Однако, имеется большое количество шахтных водосбросов, запроектированных [ работы в напорном режиме только части водопроводящего тракта шахтного во-сброса. В диссертации проанализированы методики расчёта таких сооружений, ледованных различными авторами. Наибольшие затруднения при расчётах пропу-ой способности по (7) вызваны неопределённостью определения в (8) коэффици-

ента Кориолиса а и коэффициента сопротивления водоприёмной сопрягающего колена. Для обеспечения безнапорного режима течения в отводящем водоводе повсеместно используются носки отклонители, сжимающие поток за расчётным выходным сечением. В этом случае вместо расчётной площади й)еых поперечного сечения

сооружения необходимо использовать площадь сжатого сечения потока Б • С0вых, что не учитывает зависимость (7). В диссертации проанализированы наиболее употребляемые зависимости для определения коэффициента сжатия потока е и сопротивления колена . Имеется достаточно много зависимостей для определения этих коэффициентов, однако по этим зависимостям для одних и тех же параметров сопрягающего колена коэффициенты могут отличаться в 3...5, раз что снижает точность расчётов шахтного водосброса и не обеспечивает безопасность его работы. Наиболее правильной с точки зрения физических условий работы сопрягающего колена следует считать зависимости, рекомендуемые И.Е. Идельчиком.

Одним из важных критериев оценки конструкции шахтного водосброса является определение величины гидродинамического давления на проточный тракт водосброса. Изучению этого вопроса посвящено достаточно большое количество работ, излагающих результаты экспериментов.

Прежде всего, исследователей интересовал вопрос формирования вакуума на оголовке водоприёмной воронки. П.П. Мойсом приведен график изменения величины максимального вакуума на сливной поверхности водоприёмной воронки (Ьвак)мт1/Н = /(И/Я) в зависимости от профиля водоприёмной воронки, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Величина максимального вакуума на сливной поверхности водоприёмной воронки (Ит^мак/Н = f(H/R) в зависимости от профиля водоприёмной воронки.

Как видно по графикам рис. 4, максимальная величина вакуума на оголовке водоприёмной воронки может достигать величины 0.6 напора при минимальном значении 0.32 для эллиптического оголовка, предложенного П.П. Мойсом. При этом следует заметить, что авторы всех методик построения очертаний водоприёмной воронки исходили из предпосылки получения безвакуумного профиля.

Распределение давления на проточном тракте шахтного водосброса изучали В.Г. Скряга, Н.И. Романько П.П. Мойс, С.М. Слисский, С.П. Лаврентьев. Общим недостатком всех этих исследований является простая констатация наличия того или иного характера распределения давления по длине проточного тракта. При этом отсутствует анализ полученных экспериментальных данных, в равной степени, как и аналитическое сопоставление результатов собственных исследований с результатами аналогичных исследований других авторов.

Для ликвидации вакуумных зон, формирующихся на проточном тракте шахтного водосброса, разработаны разнообразные конструкции подачи воздуха в эти зоны. Однако ввиду сложности процессов воздухозахвата, до сих пор отсутствуют достаточно обоснованные методики расчёта подачи воздуха. Больше того, модельные исследования работы воздуховодов не обеспечивают надёжной их работы. Одним из существенных недостатков теории и практики расчётов шахтных водосбросов является отрыв их гидравлических расчётов от практики проектирования и строительства. Гидравлические расчёты дают идеализированный профиль проточного тракта, который не может быть реализован в процессе строительства. Заложенное в конструкции шахтного водосброса круговое поперечное сечение делает сливную поверхность двоя- кой кривизны, которую невозможно выполнить существующими методами производства работ. Теоретически рассчитанные поверхности аппроксимируются в процессе строительства системой конических колец, стыки которых являются источниками опасности навигационной эрозии бетона. В качестве примера на рис. 5 приведено фото внутренней

поверхности сопрягающего колена шахтного водосброса гидроузла Регадера в Колумбии. В зоне повышенного давления которого при пропуске расхода величиной 38% от расчётного образовались кави-тационные каверны глубиной до 0.6м, которые на фото ри. 5 имеют вид тёмных подтёков. Кроме того, в существующей научно-технической литературе полностью отсутствуют какие-либо рекомендации по расчётам прочности конструктивных элементов и сооружения в целом.

Рис. 5. Внутренняя поверхность сопрягающей колена шахтного водосброса гидроузла Регадера в Колумбии

Изложенные выше недостатки методики расчётов шахтных водосбросов усложняют их проектирование, строительство и эксплуатацию.

В третьей главе изложены предложения по устранению выявленных недостатков конструкций шахтных водосбросов.

Для преодоления сложностей, связанных с необходимостью сооружения проточного тракта с двоякой кривизной без формирования поперечных рёбер относительно направления течения воды, необходимо заменить круговое поперечное сечение проточного тракта с полигональным поперечным сечением по патентам РФ №2250951 №2341615 автора.

Замена круглого поперечного сечения шахты полигональным сечением позволяет обеспечить формирование безотрывного потока по всей длине водопропускного тракта шахтного водосброса и упростить опалубочные и арматурные работы.

Во-первых, полигональное очертание заменяет внутреннюю поверхность шахты с двухмерной кривизной на систему цилиндрических поверхностей с одномерной кривизной, опалубка для которых может быть выполнена без перегибов в направлении движения воды. Рабочую поверхность опалубки можно формировать плоскими листами, например, фанерными, стальными и т.п. При этом ствол шахтного водосброса конструктивно становится подобен градирне тепловой электростанции, при строительстве которой используется унифицированная опалубка

Во-вторых, в поперечных сечениях водопропускного тракта кольцевая арматура заменяется системой прямолинейных элементов.

В-третьих, соответствующий подбор очертания сливной поверхности шахты позволяет обеспечить безотрывный вход потока из ствола шахты в сопрягающее колено и протекание по нему воды.

В-четвёртых, в зависимости от расчётного расхода выбор рационального числа сторон правильного многогранника позволяет выполнить сопрягающее колено как непосредственное продолжение шахты также без изломов поверхности поперёк продольной оси потока.

С целью повышения пропускной способности и упрощения конструкции шахты, оголовок водоприёмной воронки следует выполнять круглоцилиндрическим. Из приведенных в обзоре теорий расчёта шахтных водосбросов можно отдать предпочтение сливной поверхности, выполненной с эллиптической образующей, как более гибкой по условиям приспосабливаемости к требованиям проектирования и строительства.

Параметры эллипса образующей сливной цилиндрической поверхности должны быть такими, чтобы эллиптическая поверхность отвечала следующим условиям:

1. Сливная поверхность должна обеспечивать неподгопленный режим водоприёмной воронки во всём диапазоне расходов. Для водосливного оголовка кругового поперечного сечения по рекомендациям Н.П. Розанова, этому условию соответствует сопряжение сливной грани с оголовком в точке, тангенс угла касательной в которой имеет величину 1.5.

2. Для безотрывного втекания воды из шахты в колено необходимо обеспечить общую касательную к сопрягаемым поверхностям в сечении их стыковки. Этому условию отвечает размещение начала координат эллиптической направляющей сливной поверхности в плоскости их стыковки.

3. В соответствии с требованием выполнить сопрягающее колено как непосредственное продолжение шахты и обеспечения симметрии поперечного сечения проточного тракта шахты, количество внутренних граней должно быть кратно четырём при сопряжении с отводящим водоводом коробчатого сечения.

В этом случае попарно взаимно ортогональные четыре грани выполняются в форме криволинейных трапеций и они должны быть сориентированы параллельно соответствующим граням сопрягающего колена. Нижние ребра этих граней образуют концевое сечение шахты в общем случае прямоугольной формы с шириной, равной ширине отводящего водовода. Но для упрощения конструкции шахты выходное сечение ствола целесообразно выполнять квадратным. Остальные грани сливной поверхности шахты примут форму криволинейных треугольников, верхние рёбра которых являются соответствующими рёбрами входного сечения шахты, а боковые схо-■ ггся в вершинах углов выходного сечения ствола шахты. Образующие сливных граней внутренней поверхности шахты параллельны соответствующим ребрам многогранника гребня водоприёмной воронки. Этому требованию отвечает водоприёмная воронка полигонального поперечного сечения в плане, имеющая форму правильного етырёхугольника, восьмиугольника и двенадцатиугольника. Такая конструкция нутре нней поверхности шахтного водосброса обеспечивает плавный переход от ногоугольной водосливной воронки к прямоугольному входному сечению колена, опрягающего шахту с отводящим водоводом. На рис. 6 приведены варианты плано-ых очертаний шахты с полигональным поперечным сечением.

Для построения направляющих сливных граней шахтного водосброса полиго-ального поперечного сечения выведены соответствующие аналитические зависимо-ги, в которые входят параметры, приведенные на схеме рис. 7.

Величины полуосей направляющих сливных граней определяются по зависимо-гям:

• (г0 -1.5• ь= а-И

а =

а-^а2

(9)

При толщине t стенки воронки шахты, координаты направляющих внешней по-ерхности водоприёмной воронки определяются как:

■4а2

1-

а'

Ъ-4аА-г2-(а2-Ъ2)\

(10)

V«4 - г2-(а2-Ъ2)

где г - координата точки направляющей внутренней грани ствола шахты относитель но координатной плоскости.

Рис. 6.

План шахты полигонального поперечного сечения.

а)- с 4-х гранной водоприёмной воронкой;

б)- с 8-и гранной водоприёмной воронкой;

1- трапецеидальные грани; 2 - клиновые грани

в) с 12-игранной водоприёмной воронкой.

1,2- трапецеидальные грани; 3,4- клиновые грани

Рис.7.

Схема к определению параметров направляющих сливных граней шахтного водосброса полигонального поперечного сечения.

г - радиус гребня оголовка шахты; а, Ь - полуоси направляющей; Лгр и Ко апофемы многоугольников, образуемых осями гребня оголовка шахты и линиями касания поверхности оголовка и сливной поверхности;

I На рис. 8 показана конструкция шахтного водосброса гидроузла Джедра, запроектированного для Алжирской Народной Демократической Республики

Рис. 8. Шахтный водосброс гидроузла Джедра в АНДР. а)-продольный разрез; б)-план

В плане водоприёмная воронка выполнена двенадцатиугольной со сторон01 Л =6.029м по оси гребня воронки. Максимальный расход (>=628 м3/с при напор! 2.55м. Высота шахты от гребня водоприёмной воронки г=53м. Нижнее сечение ство ла шахты квадратное со стороной 6=6.00м. Заканчивается ствол шахты конфузороь высотой 5.5 м, образованным за счёт отклонения грани шахты в сторону верхней бьефа

Поскольку шахтный водосброс работает во всём диапазоне возможных расходов начиная от нуля, при проектировании работы его отводящего

водовода в напорном режиме при пропуске расчётного расхода неизбежно приводи] к появлению переходных режимов при пропуске расходов, меньших расчётного. В т<1 же время, использование напорного режима в отводящем водоводе с целью сниженщ его стоимости не всегда экономически оправдано, т.к. необходимость выполнения конструктивных мероприятий по нейтрализации последствий, связанных с появлени ем гидравлического удара при смене режимов, сводит на нет эту экономию. Кроме того, использование шахтных водосбросов, работающих в напорном режиме, много ; кратно снижает безопасность гидроузла из-за неточного определения величины рас чётного расхода. Поэтому предпочтительно проектировать работу сопрягающего ко лена и отводящего водовода в безнапорном режиме. С этой целью целесообразн придавать нижнему участку ствола шахты форму конфузора за счёт отклонения по] верхности низовой грани ствола шахты в сторону верхнего бьефа.

Работа шахтного водосброса полигонального поперечного сечения была исследована на гидравлической модели. За базовый вариант была принята модель шахтногс водосброса гидроузла Джедра имевшего двенадцатигранное поперечное сечение. На рис. 9 представлено фото модели со стороны водоприёмной воронки, а на рис. 10 продольный разрез шахтного водосброса полигонального поперечного сечения со схемой размещения пьезометров.

Рис. 9. Модель 12-и гранного шахтного водосброса. Вид на водоприёмную воронку

Рис. 10. Продольный разрез модели шахтного водосброса со схемой размещения пьезометров

Состав экспериментальных исследований шахтного водосброса полигонального поперечного сечения приведен в таблице 1 Схемы исследованных вариантов конструктивного оформления водоприемной воронки приведены на рис. 11.

Таблица !.

Конструкция оформления водоприемного устройства Высота выходного сечения сопрягающего конфу юра, а. м

2.5 1 ">. 1. Ч> 4.5 5.0 5.5 6.0

Свободный вход (вариант 1. рис. 3.24,а) я т в т

Бык с ВБ (вариант 2 рис. 3.24,6) ■ а а к

Бык с КБ (вариант 3 рис. 3.24.8) Е я я ■

Бык с ВБ +укороченная приемная камера (вариант 4 рис 3.24,г) ■

Бык с ВБ + тонкая стенка с НБ (вариант 5 рис. 3.24,д) В я

Тонкая стенка с НБ (вариант 6) и №

3 Л

V

А 1

% Н\ / { < У

Л1

ф-

вариант

3 вариант

4 Ьзрионгг Ь бориант 6 бариант

Рис. 11 Схемы исследованных вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки

Всего на модели было установлено 122 пьезометра для изучения распределен!! осрсднённого гидродинамического давления в проточном тракте водоприёмной в ронки, ствола шахты и сопрягающего колена. Поскольку изучаемый шахтный вод сброс полигонального поперечного сечения представляет собой, в какой-то степени, пионерную конструкцию, были исследованы варианты в соответствии с таблицей 1.

В диссертации изложена методика моделирования и выполнены расчёты точное измеряемых параметров. Одновременно, был выполнен анализ влияния на точност результатов измерения расходов воды от времени стабилизации режима движения модельной установке. Показано, что для обеспечения равноточности измерений ра ходов воды при уменьшении расхода модели в 3..5 раз необходимо увеличивать В1 мя до начала отсчётов в 5... 8 раз

В четвёртой главе представлены результаты визуальных наблюдений за реж! мами движения воды в шахтном водосбросе. Во всём диапазоне исследованных рас ходов с безнапорным режимом для всех вариантов конструктивного оформления во доприёмной воронки по всей длине проточного тракта шахты от верхнего бьефа д входа в сопрягающее колено поток представлял собой стекловидное тело без палич участков самоаэрации.

На рис 12 в качестве примера показаны фото потока внутри водоприёмной ворон и! и в стволе шахтного водосброса при пропуске расчётного расхода 0=636м3/с дл варианта с установкой быка со стороны верхнего бьефа при безнапорном режим всего проточного тракта шахты. Такой режим наблюдался до тех пор, пока поток н заполнял полностью выходное сечение конфузора. После этого происходило занапо ривание ствола шахты с соответствующим подъёмом в нём уровня воды. На рис. 1 показано фото потока в проточном тракте шахтного водосброса при пропуске расхо да О=680м3/с напорным режимом в стволе

В этом режиме работы во всём, включая сопрягающее колен, поток представля стекловидное тело. В стволе формировалось вращательное движение воды с перио дическим образованием воздушной воронки, хвостовой участок которой периодиче ски отрывался и уносился в отводящий туннель, как это видно на фото рис. 13. б) При подтоплении гребня водоприёмной воронки и переходе водоприёмной воронки затопленный режим работы резко возросла интенсивность вращательного движет и воронкообразовання, как это видно по фото рис. 14. Установка быка на входе в во доприёмную воронку, так же как и уменьшение размеров выходного сечения ствол* шахты, являлись факторами, стабилизирующими режим протекания воды. При отсутствии быка интенсивность воздушной воронки менялась от полного исчез новения до размеров, при которых поперечное сечение воздушного жгута в выход ном сечении ствола достигало 6% от его площади, как это ввдно на фото рис. 14, а) При установке быка и стеснении выходного сечения ствола шахты приводило к рез кому снижению размеров воздушного жгута. Как видно по фото рис. 14, б) стеснени выходного сечения ствола шахты на 8.3% привело к уменьшению его сечения воз душной воронки до 0.5%.

Рис. 12. Фото шахтного водосброса при пропуске расхода 0=636м3: а) - водоприёмная воронка; б) - ствол шахты

Рис. 13. Фото шахтного водосброса при пропуске расхода О=680м3/с с напорным режимом в стволе. а)-водоприёмная воронка; б)-ствол шахты

а) б)

Рис. !4 Фото шахтного водосброса при работе с напорным режимом, вход свободный, а) - д=6.0м. б) - ö=5.5m

Таким образом, для стабилизации гидравлических режимов в проточном тракте шахтного водосброса целесообразно концевой участок ствола шахты выполнять е виде конфгзора.

I

В ни гой главе изложены результаты исследовании пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения. Предварительно нами был выполнен анализ существующих теоретических расчётных зависимостей для определения пропускной способности шахтных водосбросов, работающих с безна порным и напорным режимом проточного тракта шахты. В результате этого анализе установлено, что расчеты пропускной способности напорного режима шахтных во досбросов менее надежны, чем расчеты безнапорного режима, и не отвечают требо ваниям безопасности гидроузла. Исследования пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения были выполнены для всех вариан] тов конструкций, показанных в таблице 1 и результаты этих исследований представлены на рис i5 в виде графиков зависимости 0 /(11).

Как видно по этим графикам, изменение пропускной зависимости имеет круто восходящий и пологие участки, которые, в свою очередь, состоят из семейства линий. соо! естств\ ющих величине площади выходного сечения ствола шахты.

1000

900

ч 800 о

X

о <в а.

700

600

500

400

300

200

100

• «г Л ► Ч ♦ ♦ ►

й 4« г* и Т

к Л1 Д т1 М к

4 о е » 0 А » *

1- П ✓

у- 3 ■1 *> и. О -К

'Л д Л д 1

г

*

* Л

1 т о

4

-4 0

; 1 9

£

J V

1*

11 1 1 | 1 | |

2 3 4 5

Напор на гребне воронки, м

» а =2.5 м, бык с ВБ

Ж а=2.5м, быке НБ

о а =3.36 м, тонкая стенка с НБ

к а =4.5 м, без быков,

л а=4.5м, бык с НБ

X а=5.0м, без быков

а а=5.0 м, бык с ВБ

+ а=5.0м,быкс НБ

• а=5.0 м, бык с ВБ+ укороченная камера

■ а=5.0 м, бык с ВБ+ тонкая стенка с НБ ж 2=5,5м, без быков

в а=5.5м, бык с ВБ

Л а=6.0м, без быков

♦ а=6.0м, бык с ВБ

• а=6.0м, быке НБ

Рис. 15. Зависимость расход шахтного водосброса полигонального поперечного сечения от напора на гребне водоприемной воронки для вариантов конструкции по таблице 1 Поскольку объективной оценкой пропускной способности водосброса является го коэффициент расхода т, результаты этих исследований представлены в виде графиков т=/(Н), полученных из уравнения (2). Эти графики представлены на рис 16

Эти графики имеют три характерных участка: крутовосходящие, пологовосходя-дие и нисходящие участки. Восходящие участки соответствуют работе шахтного одосброса с неподтопленной водоприёмной воронкой, а нисходящие участки работе ) затопленной водоприёмной воронкой. В диссертации выполнен подробный анализ ропускнои способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения ри работе с неподтопленной и затопленной водоприёмной воронкой.

Для возможности выполнения сопоставительного анализа пропускной способно-ги вариантов конструкции при неподтопленной режиме, была выполнена аппрокси-ация частных графиков зависимости т=/(Н) для каждого исследованного варианта

О а =2.5 м, бык с ВБ

Ж а =2.5 м, бык с НБ

О а =3.36 м, тонкая

стенка с НБ и а =4.5 м, без быков,

д а=4.5м, бык с НБ

I

X а=5 Ом, без быков £3 а=5.0 м, бык с ВБ + а=5.0 м, бык с НБ

♦ а=5 0 м, бык с ВБ+ укороченная камера

■ а=5.0 м, бык с ВБ+ тонкая стенка с НБ л а=5.5м, без быков

I

о а=5.5м, бык с ВБ д а=6.0м, без быков

* а=6.0 м, бык с ВБ > а=6.0 м, бык с НБ

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5

Напор на гребне воронки Н, м

Рис. 16. Зависимость коэффициента расхода шахтного водосброса полигонального поперечного сечения от напора на гребне водоприёмной воронки Прежде всего, были проанализированы результаты аппроксимации эксперимек тальных данных единой кривой для всего диапазона напоров, отдельно для круговое ходящий и пологой ветвей. При этом крутовосходящая ветвь была аппроксимирован! двумя типами кривых: параболической и трёхчленом. Наиболее успешной оказалас раздельная аппроксимация этих участков: крутовосходящего участка трёхчленом, ' пологого участка параболической кривой. Было также проанализировано влияни учёта масштабной поправки по (5) на изменение коэффициента расхода. Оказалос» что при относительном напоре Н/Нрасч<0.25, поправочный коэффициент растёт быс рее. чем происходит снижение экспериментальных значений коэффициента расхода и при Н -» 0 коэффициент расхода с поправкой ту —» оо, чего не может быть. Ока залось. что для всех вариантов конструктивного оформления при //->() экспери ментальные значения коэффициента расхода принимали значения в диапазоне ти= =0.265...0.273. Теоретический анализ изменения коэффициента расхода при умень шении напора Н —> 0 на гребне водоприёмной воронки дал значение тн..0 =0.272

28

Аппроксимация данных П.П. Мойса для шахтного водосброса с относительным расчётным напором Я=0.2...0.5 даёт значения /яя-о =0.275...0.299, что подтвердило правильность предположения, что т>0 при Н= 0. Учитывая эти обстоятельства, получены обобщённые зависимости для определения коэффициентов расхода с точностью ± 2% для всех вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки:

-длянапоров Н/Нгасч <0.655- т = -О.ОП6-Н2 +0.153-Я+ 0.269 - для напоров 1.15 >#/#,„„ >0.655: от = 0.469 Я0°"

Аналогично анализу работы шахтного водосброса с неподгопленной водоприёмной воронкой выполнен анализ данных экспериментального изучения работы шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с её затопленным режимом, ропускная способность шахтного водосброса определяется уравнением (7) и являйся многофакторным параметром, в связи с чем, однозначно не определяется изме-ением напора на гребне водоприёмной воронки, как это видно из графиков на рис. 15 и 16. Главным фактором, определяющим расход водосброса в этом случае, являет-я площадь выходного сечения со^ ствола шахты, так же как и коэффициент расхода , определяемый по (8). Эта зависимость представляет собой многофункциональную еличину и определяется коэффициентом Кориолиса а, коэффициентами местных опротивлений % и коэффициентом Дарси X потерь по длине. Однако, несмотря на •шичие обширных теоретических и экспериментальных исследований, при опреде-ении этих коэффициентов возникают затруднения из-за большого разброса их зна-ений. Кроме того, при оформлении концевого участка ствола шахты в виде конфу-ора, появляется необходимость в определении коэффициента сжатия потока при ертикальном истечении и закономерности распределения скоростей и давлений в ыходном сечении конфузора. На рис. 16 представлены графики изменения коэффи-гентов расхода при затопленном режиме работы водоприёмной воронки в зависи-ости от напора на её гребне. Эти графики представляют собой ответвления от ос-овной компактной системы экспериментальных точек.

При конфузорном исполнении конечного участка ствола шахты коэффициент рас-ода цк определяется по выражению относительно напора 2 над выходным сечением:

де coscp6 к Pep - средние значение угла наклона вектора скорости к плоскости вы-одного сечения конфузора и давления в нём.

Чтобы использовать зависимость (11), прежде всего, необходимо установить гра-щу IIкр между безнапорным и напорным режимами работы шахтного водосброса, а основании экспериментальных данных нами было получено выражение для опре-еления её величины в зависимости от высоты конфузора на входе а0 и выходе а, шны В гребня водоприёмной воронки и расстояния Z0 между ним и выходным се-ением конфузора и расчётным напором Н„р:

(П)

Нгр ____I а

нт

пр

= 1.523- —

а-Ъ

№

H „„

пр

(1

в

После этого были проанализированы существующие расчётные зависимости определения коэффициента сжатия потока е. Во всех курсах гидравлики, начин; "Гидравлического справочника" H.H. Павловского и других более ранних раГ приводятся данные по расчёту коэффициента сжатия потока е для случаев истечен из отверстий в вертикальной стенке для потоков, имеющих стеснённое сечение с раллельноструйным течением и гидростатическим распределением давления в нё При определении коэффициента сжатия вертикальнопадающего потока появляет неопределённость в определении положения сжатого сечения, поскольку толщ струи постоянно меняется. Кроме того, устройство сопрягающего колена деформ рует струю уже на выходе из ствола шахты, вызывая появления в ней внутренне давления от центробежных сил, изменяя одновременно геометрию поперечного с чення. Такой режим движения воды не нашёл отражения в гидравлической литера ре. На основании обработки экспериментального материала было установлено, что диапазоне относительной высоты выходного сечения конфузора а/ао =0.417...0.9 коэффициент сжатия потока имеет значения е=0.870...0.97, в то время как, в завис мости от источника информации, он может быть получен в преде £=(0.697...0.754)... (0.871...0.992).

Для оценки величины коэффициента скорости ср было проведено сопоставле1 значений параметров, входящих в (8) по имеющиеся зависимостям и по дзниим -зультатов исследований. Для предварительного определения коэффициента Кори лиса а в справочной литературе рекомендуется формула, приведенная на стр. 17 зависимости от коэффициента Шези С. Однако она применима только для потоко имеющих параллельноструйное движение. В сходящемся потоке, которое имеет м сто в конфузоре, коэффициент Кориолиса а может быть определён по зависимосг

2-3 +sin25

полученной автором: а = tg S0--2---, где ûa - угол конусности конфуз

^ Ъ

ра. Эта зависимость получена из предположения, что течение в конфузоре происх дат как в секторе линейного стока.

Для конфузоров с относительной высотой выходного сечения а/а0 =0.56, 0.7, 0.91 и 1.0 была определена скоростная структура потока, по которой подсчитаны знач ния коэффициента а. Теоретические значения, соответственно, равнялись ат=1.1 1.044, 1.02 и 1, в то время как по данным эксперимента азте= 1.164, 1.064,1.022 и 1.0 Это расхождение связано с тем, что теория стоков не учитывает снижение скоросге в пристенных областях течения. Теоретические расчёты позволили так же о пред лить величину cos ^<9 = sin^0 / «90.

Сопоставительные расчёты для модели и натуры с использованием зависимое А. Д Альтшуля определения коэффициента Дарси А позволили дать оценку влиян потерь по длине в стволе шахты. Принято считать, что при числах Рейнольдса Re> 1

■г кость воды уже не влияет на потери по длине модели и модельные данные можно ере считывать на натуру пропорционально масштабу модели. Однако, в проведение модельных исследованиях при числах Re в диапазоне (2...0.9)*105 отношение

эффициенгов потерь по длине çH Içu находилось в диапазоне 1.15... 1.01 для знания коэффициента шероховатости п=0.016 для натуры, и в диапазоне 1.04...0.91 I значения коэффициента шероховатости п=0.015. Из этого следует, что модельные шые потерь по длине следует уточнять расчётами.

Для определения коэффициентов местных сопротивлений требуется достаточно дробное изучение кинематики потока средствами, обеспечивающими возможность енки местной энергии потока, что не всегда возможно выполнить. С другой сторо-I, имеются достаточно объёмные исследования И.Е. Идельчика, охватывающие, актически, все типы местных сопротивлений, встречающиеся в гидротехнике. Эти шые были использованы для анализа влияния местных потерь. Исследования кинематической структуры потока на модели позволили так же оп-делить распределение осреднённого гидродинамического давления в плоскости «одного сечения конфузора. Все эти данные позволили теоретически определить [чения коэффициента расхода ц. Сопоставление этих значений с эксперименталь-ми данными показало, что разброс расхождений находится в пределах +0.75...-6%. Зависимость fi=f(afaa) аппроксимируется уравнением / ( \3 / \2

-8.192- —+ 1.79. (13) а„

ц = 9.2761

\°oJ

- 23-728-I — I +21.745-1 —

орое позволяет, при необходимости, рассчитывать пропускную способность ахтного водосброса с затопленной водоприёмной воронкой.

В шестой главе изложены результаты изучения распределения давлений в прочном тракте шахты. На рис. 17 показана общая картина распределение давления в вод. ст. на верховой и низовой гранях шахтного водосброса. а=5.0м при свободном оде на водоприёмную воронку.

Распределение давления изучалось для всех вариантов конструктивного оформ-ния ствола шахты, представленных в таблице 1. Давление изучалось с помощью 2 пьезометров, установленных на семи гранях сливной поверхности шахты, на псах граней и на вогнутой поверхности сопрягающего колена. Как видно по с. 17, представление эпюр давления на геометрическом изображении сечения по-хности даёт искажённое представление о характере распределения давлений, ъективное представление даёт изображение эпюры распределения давлений на ямолинейной развёртке поверхности, которое и было принято при обработке ре-льтатов исследования

Рис. 17. Распределение давления в м. вод. ст. на верховой и низовой гранях шахтного водосброса. а=5.0м, вход свободный воронки

лення. Детальное распределение давления на гранях водоприёмной воронки и злых гранях ствола шахты изучено для варианта шахты с бычком, расположен-г со стороны верхнего бьефа для 10-и напоров в диапазоне от #=0.87..5.86м, кото-гм соответствовали расходы в диапазоне £>=95...704куб.м/с для варианта с быком стороны верхнего бьефа с высотой выходного сечения конфузора а=5.0м и для ианта со свободным входом с высотой выходного сечения конфузора а= 2.5, 5.0, и 6.0м.

На рис. 18 представлены эпюры распределения давления на верховую грань во-сливной поверхности шахты. В качестве примера распределения давления показа-для варианта со свободным входом в водоприёмную ворону с высотой выходного ения конфузора а=5.0м для абсолютного р в м. вод. ст. и относительного = р!уН давления.

38 за

34

32 30 28 29 24 22 20 18 10 14 12

-14

-1 в ■18

-20 -22

к - - - -

ъ *

-

•• •

' 'S

ч •• ■

i

ч

3 V \ А

—3 "V V

tr-

V > ) )

i у t

s / г

i

U л р» / -*<

0 2 4 8 8 10 12 14 18 18 20 22 24 28 28 3032 34 Деелемие, п. еод.

—Н =0.91 м -■-Н=122м

-м-Н-1 99 м

----Н=348М

— — — .гребень воронки

— - — выюд т конфузора

2345878» 10 11 Относительное д1авленяе Р/Н

-Н-0.В1 м Н-2.Э4 и

-Н-1.22 и -Н-2.50 и

Н-1.8» I -Н-3.48 I

а) - давление м.вод. ст б) -давление р = р! уН

Рис. 18. Распределение давления на верховую грань сливной поверхности шахты со свободным входом с а=5.0м. Как видно по графикам рис 18, при безнапорном режиме работы давление на вной поверхности грани ниже оголовка водоприёмной воронки до входного сече-конфузора во всём диапазоне расходов близко к нулю.

Изменение минимального давления на оголовке водоприёмной воронки в долях напора puJH на его гребне в зависимости от относительного напора Н/r приведена рис. 19. Как видно по графикам рис. 19, максимальные значения вакуума на

Рис. 19. Изменение минимального давления на оголовке водоприёмной воронки в долях от напора р„и/Н на его гребне в зависимости от относительного напора Н/г

оголовке водоприёмной воронки находятся в диапазоне значеню Реакмакс/Н=0.6...0.78 в диапазоне относительных значений напора Я/г=3.2...3.6. I этого следует, что диапазон напоров, при которых вакуум на гребне оголовка водо приёмной воронки достигает максимума, имеет те же значения, что и по данным Н.П Розанова. Величина же максимального вакуума на вакуумном оголовке шахтного в раза меньше вакуума на прямолинейном водосливе с такими же параметрами о голов ка. Эту же величину максимальный вакуум на оголовке имеет на всех изученнь -гранях и для всех вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки. Для этого вакуума по методике Н.П. Розанова был вычислен максимальный напор 1 гребне водоприёмной воронки по условиям отсутствия кавитации, который раве Нмакс-^- 8м, что значительно больше напоров, на которые рассчитана работа шахтнь ? водосбросов. Из этого следует, что нет опасности кавитационной эрозии при исполь зовании вакуумных оголовков на шахтных водосбросах. Для оценки опасности кави тационной эрозии на сливных гранях были вычислено распределение коэффициентов кавитации по высоте ствола шахты. Минимальное значение составило акав=1.62 при допустимом значении [<тгав=1.0]. Это подтверждает справедливость предпосылки о рациональности проектирования шахтных водосбросов с полигональным попереч-

•ш сечение, обеспечивающих возможность выполнения сливной поверхности без ломов. Изучение распределения давления на продольных стыках сливных граней казало, что оно не отличается от давления на поверхностях граней. В седьмой главе изложены результаты исследования параметров потока в сопря-мцем колене шахтного водосброса. Теоретическое изучение распределения скорой и давлений по толщине струи И безнапорного потока, деформируемого в верти-ъной плоскости вогнутой поверхностью сопрягающего колена, выполнено на ос-вании анализа уравнения энергии в радиальном сечении, записанного с учётом тематического давления, вызванного центробежными силами, развивающимися и движении воды по криволинейным траекториям. При анализе изменения кинети-ского давления принято, что изменение между кривизной донной кд и поверхност-й кп струйками потока происходит по степенному закону с показателем т, что по-оляет определить кривизну к струйки на расстоянии г от дна потока. Обозначив зразмерное значение кривизны струйки как а=кИ, получим исходное дифференци-ное уравнение для определения скорости:

и/и = (к-кд+И-Ак-ут)-с1у = (ад + М-ут)-с1у, интегрирование которого

¿а —,м+1 -у

•6 т+1 . Постоянная интегрирования определяет-из уравнения неразрывности, с учётом чего зависимость для определения скорости

инимаетвид: и = е^^/(и+1)) /} е . ¿у проингетри-

о

вать выражение в знаменателе можно, используя разложение в ряд подкоренное фажение. После интегрирования, выполнив соответствующие преобразования, бы-получены выражения (7.20) и (7.22) диссертации для определения изменения по лщине струи скорости и величины кинетического давления в зависимости от пока-теля степени т. Для определения его значения были построены теоретические Крите распределения давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена для ' х значений т=0.5, 1 и 2 и сопоставлены с показаниями пьезометров. Эксперимен-ьные точки полностью расположились на теоретической кривой, соответствую-й значению т= 1, которое и принято в дальнейших расчётах. Для возможности пользования полученных уравнений, необходимо знать кривизну свободной поверх-сти потока по всей длине сопрягающего колена, включая начальный участок тун-ля. Для получения этой информации была выполнена камеральная обработка протей свободной поверхности воды, сформированной в колене при напорном режи-работы ствола шахты с высотой выходного сечения конфузора, а=2.5; 3.36; 4.5; ; 5.5 и 6.0м. По фото для варианта с а=5.0м были определены координаты свобод-й поверхности в декартовой и полярой системе координат и в параметрической рме. Наилучшее приближение показала аппроксимация свободной поверхности в раметрической форме, которая и была принята для дальнейшей обработки. Ис-льзуя аппроксимации, получены зависимости изменения кривизны свободной по-

верхности по длине сопрягающего колена. В качестве примера на рис. 20 приведены графики распределения давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена по толщине потока по данным экспериментов и с использованием теоретических зависимостей при высоте выходного сечения конфузора я=4.5м, с быком с НБ.

Рис. 20. Распределение давления на вогнутой поверхности сопрягающего колена шахтного водосброса при высоте выходного сечения конфузора а=5.0м,. бык с НБ

Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчёта показало их удовлетворительное совпадение. В качестве примера на рис 20 приведено распределение скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при высоте выходного сечения конфузора в=4.5м, бык с НБ, <3=609м3/с. Результаты теоретических выводов были использованы для оценки давления на криволинейных участках водосброса №2 Богучанской ГЭС. В диссертации на основании проведенных экспериментальных исследований кинематики потока в сопрягающем колене были определены потери энергии в сопрягающем колене, как при безнапорном режиме его работы, так и при напорном режиме. Исследования показали, что коэффициент сопротивления безнапорного колена при отношении 1 <Ла/с/г<5 на 18... 14% меньше потерь по длине колена, а при напорном режиме на 20% больше.

Были так же апробированы теоретические зависимости для вычисления распределения осреднённых скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при безнапорном режиме его работы. На рис. 21 приведено сопоставление результатов расчёта скоростей с результатами экспериментов для 8-и створов по длине сопрягающего колена. Как видно по графикам рис. 21, имеется достаточно хорошее совпадение результатов расчётов с результатами экспериментов.

Расстояние от верхового ребра выходного сечения конфузора X, м -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

20 25 30 35 40 45

-о ж •-о'-ла '/' / 1

✓ ✓ 1

/ '* • г / -¿¿-А р ж 1

\ 1

\ \ • \ 1

ж ]

\ V \ \ж

и? 1 I

Л • ч '-У .......... \

•ч V г*-. —■ ж---- -ж- - ч ]

—-- ■о — о-- |

- конфуэор и колено ■ а=706куб м/с, расч С5=689куб м/с, опыт -поверхность потока

----0=727куб м/с, расч

д О=706куб м/с, опыт -----0=652куб м/с, расчет

о 0=727куб м/с, опыт ■ - — 0=669ку6 м/с, расч Ж 0=652куб м/с, опыт

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

/ !. у Р^у - / у.// /

/ / * х &

/ V/

/ / А /д

/А Л/ х'/ И/'

/ //

/ иС/ ' /л/*

* // Ж // /,/ >

/Л*д/ .. У/аъ1 / ГУ /

22

24

26

- С-0, расчёт -С-2, расчёт

- С-4, расчёт С-6, расчёт С-8, расчёт

д С-0, эксперимент X С-2, эксперимент о С-4, эксперимент I, С-6, эксперимент С-й, эксперимент

28 30 32

Скорость, м/с

-С-1, расчёт х С-1,эксперимент

С-3, расчёт С-3,эксперимент

-С-5, расчёт о С-5, эксперимент

С-7, расчёт С-7, эксперимент

34

Рис. 21. Распределение скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при высоте выходного сечения конфузора а=4.5м,. бык с НБ, С>=609м3/с

В восьмой главе изложены результаты определение параметров ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения башенного типа.

В соответствии с СП 58.13330.2010 "СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения" шахтные водосбросы башенного типа следует рассчитывать на основное сочетание нагрузок: от собственного веса конструкции, воздействия внешних гидростатических нагрузок, ветровой и волновой нагрузки на ствол шахтного водосброса и особое сочетание, к которым относится нагрузки при пропуска поверочного расхода и нагрузки от сейсмического воздействия. В курсах гидротехнических сооружений и соответствующей справочной литературе отсутствует информация о методике этих расчётов применительно к шахтным водосбросам башенного типа. Что касается расчётов на сейсмические воздействия, то в СП 14.13330.2011 "Строительство в сейсмических районах. Актуализация редакции

СНиП П-7-81*", изложена только методика определения нагрузок. Геометрия по речного сечения ствола шахты имеет сложный закон изменения по высоте, что полнигельно усложняет расчёты, поскольку в соответствующих курсах сопроти ■ ния и строительной механики рассматриваются, как правило, расчёты элементо постоянным поперечным сечением, или как максимум, с простейшим изменени характеристик сечения.

Наибольшие напряжения от собственного веса в поперечных сечениях ство шахты возникают при окончании возведения сооружения. В диссертации в качес примера рассмотрены расчёты шахтного водосброса гидроузла Джедра в АЩ -высотой ствола 35м по внешнему контуру. Максимальные сжимающие напряже составили а8.ыа1х. =б4.6Тс/м2.

Под действием внешних гидростатических нагрузок в продольных сечениях нок ствола появляются сжимающие "котельные" напряжения, прямо пропорцион. ные диаметру ствола, глубине погружения сечения и обратно пропорциональ толщине стенок. Расчёты показали, что максимальные напряжения в нижнем сече водоприёмной воронки котельные напряжения достигают 01:отвОр.=65.2Тс/м2, а в новании ствола а1ОТСта.=62.2Тс/м2.

Ветровые нагрузки могут быть опасны для шахтных водосбросов башенного т в период их возведения, или на гидроузлах ирригационного назначения, когда в можно полная сработка водохранилища. В соответствии с СНиП 2.01.07-85 "Наг]-ки и воздействия", ветровая нагрузка состоит из статического и динамического в действия. Статическое воздействие определяется расчётным значением скорости в ра. Для определения динамического воздействия необходимо сопоставить частот характеристики ветра с частотными характеристиками ствола шахты. Частота соб венных колебаний ствола шахты переменного сечения может быть определена зависимости:

где X - коэффициент номера тона колебаний, Ь высота ствола, Е - момент инер сечения в основании ствола, коэффициенты т], <т, д и г определяются по справочни и зависят от характера изменения эпюры жесткости сечения £7. В результате рас тов установлено, что для шахты высотой 35м при скорости ветра ^=35м/с, напря ния от изгибающего момента не превосходят величины <7,^,=ЗТс/м2.

Схема расчёта волнового воздействия на ствол шахты зависит от соотноше между диаметром ствола О и длиной волны X,. При Б/ Хв< 0.4 волновое воздейсгв следует рассчитывать как на одиночную сваю. Отличие ствола шахты от сваи зак чается в том, что её верх (гребень водоприёмной воронки) находится не выше уров воды в водохранилище, и при ветровом воздействии волна будет проскакивать стволом шахты. Однако, на гидроузлах мелиоративного и водохозяйственного наз чения возможна полная сработка водохранилища. В этом случае шахта будет в принимать полное волновое воздействие. В качестве расчётных рассмотрены

2-я-I? \ р^

я) ПП~

(1

хемы: воздействие волн при УВБ=НПУ и при таком положении УВБ, при котором сат волны на ствол шахты достигнет максимальной высоты. Расчёты показали, что аксимальная волновая нагрузка будет при пониженном уровне верхнего бьефа Прк м расчётном случае нормальные напряжения в основании ствола шахты достигнут лш*с.вшш.=17.3Тс/м2, касательные напряжения г^волн-ЗЛ Тс/м2, а котельные напря-ения о-Л|агокот=52.3Тс/м2.

При сейсмическом воздействии необходимо учитывать влияние присоединён. х масс воды те, которые снижают частоту колебания сооружения. Этот коэффици-. г рассчитывается по зависимости к^ = ф + тв!т6 . Для рассматриваемого при-ера расчёта шахты гидроузла Джедра к^ -1.483. Для определения сейсмического

здействия в качестве расчётной принята акселеграмма, приведенная в руководстве о учёту сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических соору-еннй 1977г. В соответствии с СП 14.13330.2011, горизонтальную инерционную на-узку 5/* следует определять по формуле:

Я* = 0* 'АКл • Д (15)

е ()!с - вес элемента, отнесённого к точке к сооружения с учётом присоединённых асс воды; Ка К¡, А, /?/ и - коэффициенты, определяемые по СП 14.13330.2011, а ук - коэффициент, зависящий от формы деформации сооружения при его собствен-

п

к колебаниях по 1-ой форме, определяемый как. ц^Х^Хк) X > (х>) 1(х/)

пругие линейные и угловые перемещения сечений стержня определяются из доф-ренциального уравнения упругой оси у"=М/(Е1Для решения этого уравнения ла построена зависимость изменения величины 1//2, обратной моменту инерции, по соте шахты, которая приведена на рис. 22. Там же показана аппроксимация этой ивой: начальный участок хорошо описывается полиномом 3-ей степени, а конеч-. й полиномом 5-й степени. Такая аппроксимация позволяет дважды проинтегриро-ть уравнение упругой оси, рассчитать коэффициенты щ* и, в конечном счёте, полу-:ь искомые значения изгибающих моментов и напряжений по высоте ствола шах-

I.

На рис. 23 приведены суммарные нормальные и главные напряжения при ветром, волновом и сейсмическом воздействии. Как видно по графикам этого рисунка, тряжения достигают максимальных величин в основании ствола шахты, достигая гачений порядка 82 Тс/м2 при основном сочетании нагрузок и 600 Тс/м2 при сейс-ическом воздействии. Используя обжатый профиль ствола шахты, можно умень-ть объём бетона с 4000 м3 до 2000 м2 при уменьшении внешнего диаметра ствола с т с 15.0 до 10.2 м. Результаты расчётов нормальных напряжений этих вариантов нструкции ствола шахты гидроузла Джедра при сейсмическом воздействии интен-шостью 9 баллов приведены на рис. 24. Там же приведены значения допустимых гряжений на сжатие для бетонов классов В22.5.. .В40. Как видно из графиков этого

рисунка, при использовании бетона класса ВЗО,шахту водосброса можно было 61 выполнить толщиной 1.5 метра по всей высоте, что сэкономило бы 1200куб.м. бет на.

----------------------------------------

0,8 — ------------------------

1КИШ-0.00419г} + 0,007111 +0.138

3 " III |||||[ЕЕ=ЕЕЕ:==;

о I \

§ 0,6 '1111111"£1115~1111111111111111111~

0,5-------------^-----------------:

- . /

о.з------Л-----------------------------

____/______И И II И II И —

/ 1000/Л" -0.00000042!5 +0,00005417*'- 0.00277егэ + 0.07097гг - 0.90397* +5,17

0,2------------------II I I II ||--

—-И -Н-Р-ТЕ— 0,1-------------------------------------

о —— > I М---—I I ——1—1—М—I- —1_

0 5 10 15 20 25 30

Расстояние от гребня водоприёмной воронки, м

-Верхний участок ствола --- Нижний участок ствола -Аппроксимация

1000/>" 0,00419гг + 0,00711* +0.138

Ш

N

/

И

/

1000/>-0.0000004225 + 0,00005417*'- 0.00277е*э + 0.07097гг - 0,90997* +5,17

10 15 20 25 30

Расстояние от гребня водоприёмной воронки, м

Рис.22

Изменение величины 1000/7 по высоте ствола шахты гидроузла Джедра

о 100 200 300 400 500 600

Напряжение Тс>л2

Нормальные ветровые - - - - волновые ———сейсмические

Главнные • ветровые * волновые • сейсмические

Рис. 23

Сопоставление распределения по высоте ствола шахты суммарных нормальных и главных напряжений при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии

Заключение

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Существующие методы расчёта шахтных водосбросов позволяют запроек-ировать конструкции, существенно отличающиеся по параметрам для одних и тех се исходных данных. При этом отсутствуют рекомендации по расчёту наружной по-ерхности шахтных водосбросов башенного типа.

2. Несмотря на то, что очертаниям водосливной поверхности воронки шахт-;ых водосливов придаётся безвакуумный профиль, при профилирующем напоре об-азуется вакуум, который может достигать величины от 0.6 до

.33 от расчётного напора в зависимости от профиля воронки.

3. Выполнены теоретические расчёты траектории свободнопадающей струи с чётом давления в подструйном пространстве.

4. Разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечно-б сечения, позволяющая выполнять сливные поверхности в виде единой поверхно-ти без переломов в направлении движения воды, что позволяет выполнить её с при-1енением простейших средств производства работ.

5. Разработаны теоретические зависимости для построения сливных поверхн стей трапецеидальных и клиновых граней шахтного водосброса полигонального п перечного сечения с 4-ю, 8-ю и 12-ю гранями.

6. Обоснована возможность применения водоприёмных воронок с вакуум! профилем гребня на шахтных водосбросах полигонального поперечного сечения.

7. Выполненный теоретический анализ работы шахтного водосброса с напо ным режимом позволил установить, что этот режим работы не отвечает требован безопасности и надёжности работы сооружения.

8. Проведены комплексные модельные гидравлические исследования раб шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с модификациями во приёмной воронки, наиболее часто встречающимися в практике гидр отехниче ско строительства, работающего с безнапорным и напорным режимом работы водопр водящего тракта. Установлено, что коэффициент расхода водоприёмной воронки вакуумным профилем увеличивается с увеличением напора на её гребне. При эт кривая изменения коэффициента расхода имеет два участка: крутовосходящий величины относительного напора Н/Нрасч «0.65 и более пологий при больших нал pax.

9. Анализ экспериментальных данных показал, что конструктивные отли влияют на коэффициент расхода в диапазоне 3%, что позволило разработать об щённую расчётную зависимость.

10. Полученные расчётные зависимости для определения пропускной спос ности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения могут быть и пользованы при проектировании сооружений Ш и IV-ro классов и на предварите ных стадиях проектирования сооружений I и П-го классов.

11. Расчёты оценки опасности возникновения кавитации на сливной поверхн ста шахты по экспериментальным данным о распределении осреднённого гидро намического давления показали её отсутствие во всём диапазоне режимов раб< шахтного водосброса полигонального поперечного сечения.

12. Распределение гидродинамического давления идентично на трапецеида ных и на треугольных гранях сливной поверхности шахты полигонального попере ного сечения.

13. Максимальный вакуум достигает величины 0.78Я напора на гребне вод приёмной воронки при относительном напоре #/г=3.4, что соответствует максима^ ному напору для неподгопленного режима работы водоприёмной воронки. С учёт фактической максимальной величины вакуума, вакуумные оголовки водоприёш воронок на шахтных водосбросах можно применять при напорах на гребне о голов до 4.8-и метров.

14. Получены теоретические расчётные зависимости для определения расп деления по глубине потока осреднённого гидродинамического давления и скор ост в сопрягающем колене с безнапорным режимом течения. Сопоставление расчёта данных о распределении осреднённого гидродинамического давления на криво.

йную грань сопрягающего колена показало хорошее соответствие с данными экс-риментов в широком диапазоне относительных параметров потока.

15. Используемые при гидравлических расчётах шахтных водосбросов зависи-сти для определения потерь энергии в сопрягающих коленах прямоугольного по-речного сечения при напорном режиме работы дают завышенные в 1.5.. 2 значения

и Кос /Л =2..2.5 и заниженные в 2.. 2.5 раза значения при 7?ос /И =3.5..4. Доля по-

рь энергии, связанная с деформацией потока в сопрягающем колене шахтного во-сброса находится в пределах 16.5.. 19% от потерь по длине. Учитывая эти результа-наших исследований, общие потери энергии в сопрягающем колене при напорном жиме работы можно принимать равными потерям по длине колена, увеличенным 20%.

16. Разработана методика определения напряжений в стволе шахтного водо-роса от действия ветровых, волновых и сейсмических нагрузок

17. В районах строительства, в которых не предусматриваются расчёты со-ужений на сейсмическое воздействие, основной нагрузкой шахтных водосбросов генного типа является её собственный вес, который и определяет напряжённое стояние бетона. В районах строительства, в которых предусматриваются расчёты оружений на сейсмическое воздействие, основными нагрузками шахтных водо-росов башенного типа являются инерционные нагрузки её собственного веса и на-узки от присоединённых масс воды. В приведенном примере расчёта нормальные т-эяжения от собственного веса составляют менее 11% результирующих нормаль-IX напряжений.

18. При строительстве шахтного водосброса в зонах, не подверженных "смическому воздействию, несущая способность материала бетона используется на ...15%, а при строительстве в сейсмических районах несущая способность мате-

па бетона полностью используется лишь в нижней части шахты в зоне макси-ьных напряжений. При этом имеется возможность применения зонирования ук-| ш бетона, позволяющая максимально повысить экономические характеристики таого водосброса.

Список работ по теме диссертации, опубликованных в журналах ВАК.

1. Гурьев А.П. Водосбросное сооружение Алинжачайского гидроузла/ А.П Гурьев А.В. Нечаев, Н.М. Часовских// Гидротехническое строительство. - 1988. №6. -С. 38-42.

2. Гурьев А.П. Водохозяйственные аспекты проекта «Кариотис» в республик Кипр/ А.П. Гурьев, Л. Д. Раткович// Мелиорация и водное хозяйство. - 2001. - №6 с.40-41

3. Гурьев А.П. Шахтный водосброс. Патент №2250951 РФ на изобретение/. А.Ю Афанасьев // Бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. Образцы. Товарные знаки 2004.-№12

4. Гурьев А.П. Распределение давлений на сливной поверхности шахтного водо сброса полигонального очертания в плане.П. Гурьев, Э.С Беглярова, С.А. Соколо ■

A.М. Бакшганин // Проблемы экологической безопасности и природопользовага Рея. д т.н., проф. В.Н. Пряхин- М.: «Норма» МАЭБП - 2005. - Вып. 6. - Т. 1. -176-178.

5. Гурьев А.П. Определение кинематических характеристик безнапорного пото ка на сопрягающем колене шахтных водосбросов/ А.П. Гурьев, Р.А Хайрулли Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообу стройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» МГУП, М. 2006.

6. Гурьев А.П. Шахтный водосброс. Патент №2341615 РФ на изобретение/ А. Гурьев// Бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. Образцы. Товарные знаки" 200 №35,

7. Гурьев А.П. Модельные гидравлические исследования водосброса №2 Богу чанской ГЭС с отбросом струи с длинными разделительными стенками/ АЛ. Гурь ев, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов// Приволжский научный журнал. - 200 -№1 - С.57-65.

8. Гурьев А.П. Гидравлические исследования шахтного водосброса/А.П. Гурь ев,//Сборник научных трудов «Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». - 2009. -254.-С. 106-117

9. Гурьев А.П. Гидравлическое обоснование конструкции концевого устройст поверхностного водосброса №2 Богучанской ГЭС/ А.Н. Волынчиков, А.П Гурье И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов7/ Мелиорация и водное хозяйство. - 200 -№1.С. 40-42

10. Гурьев А.П, Козлов В.Д, Ханов Н.В, Волынчиков А.Н. Выбор конструкци концевого устройства поверхностного водосброса Богучанской ГЭС/ А.П. Гурье

B.Д. Козлов, Н.В. Ханов, А.Н. Волынчиков // Гидротехническое строительство. 2009.-№3-С. 10-15.

11. Гурьев А.П. Совершенствование конструкции шахтного водосброса полито нального поперечного сечения/ А.П. Гурьев//Сборник научных трудов «Извест ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». - 2009. - Т. 256. - С. 35-45

12. Гурьев А.П., Румянцев И.С. Козлов ДВ., Ханов Н.В. Модельные гидравли-кие исследования водосброса №2 Богучанской ГЭС с отбросом струи с укоро-

гыми разделительными стенками. Приволжский научный журнал. - 2009 - №3. 21-28.

13. Гурьев А.П., Румянцев И.С. Козлов Д.В., Ханов Н.В. Основные результаты ического моделирования водосброса №2 Богучанского гидроузла/ А.П. Гурьев, . Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов// Вестник отделения строительных наук ¡.СИ Орёл РАУ. - 2009. - выпуск 13 - том 2. - С.160-169.

14. Гурьев А.П. Определение параметров ствола шахтного водосброса полиго-•ного поперечного сечения башенного типа при сейсмическом воздействии/ . Гурьев// Природообустройство. М., №4., 20 Юг, с. 42-50

15. Гурьев А.П., Хайруллин P.A. Определение кинематических характеристик знапорного потока в вертикально расположенных сопрягающих коленах/ А.П

урьев P.A. Хайруллин// Природообустройство. -М. 2013 -№1. - С. 42-50

16. Гурьев А.П. Применение вакуумного оголовка на шахтных водосбросах/ .П. Гурьев// Сборник трудов МГСУ. - 2013.-№2. - С. 38 - 42.

Автореферат

ГУРЬЕВ Алии Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

_Тираж 100 экз._Заказ %

Отпечатано в лаборатории множительной техники МГУП