автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Теоретическое, экспериментальное и расчётное обоснование параметров шахтных водосбросов и их конструктивных элементов

На правах рукописи

ГУРЬЕВ Алим Петрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальности:

05.23.07 - Гидротехническое строительство 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

18 ! нОЛ 2013

МОСКВА 2013

005531577

005531577

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

Официальные оппоненты:

- Заслуженный деятель науки РФ, заведующий отделом ITC и гидравлики, доктор технических наук, профессор ФГБНУ «Рос НИИПМ» Российский научно-исследовательский институт проблем

мелиорации Юрий Михайлович Косиченко

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

Борис Анатольевич Животовский

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

Ведущая организация:

Государственное научное учреждение Всероссийский научно исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова (ГНУ ВНИГиМ) Россельхозакадемии.

Защита состоится 14 октября 2013г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства

Автореферат разослан 12 июля 2013г.

Отзывы на автореферат и диссертацию могут быть направлены на ууеЬ/т5иее@етаЛ.сот.

Андрей Львович Зуйков

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Шахтные водосбросы относятся к сооружениям, активно используемым в гидротехническом строительстве уже около 90 лет. Тем не менее, исследованиям их работы посвящено значительно меньше научных трудов, чем другим гидротехническим сооружениям. В довоенные годы были заложены основы теоретических расчётов проточной части шахтных водосбросов трудами А.Н. Ахути-на, Т.В. Ивановой, А.И. Севко, H.JI. Ролле. А.М. Бинне, Р.К. Врихта, Ц.С. Кам-па, И.В. Хове. В послевоенные годы резко возрос интерес к теоретическим исследованиям шахтного водосброса после появления работы Вагнера, посвященной исследованиям кольцевого водослива с острой кромкой. В СССР появляются работы Н.И. Романько, В.Г. Скряги, C.B. Соколовского, П.П. Мойса, Г.Н. Мусаева, A.A. Карфиляна, С.П. Лаврентьева, Н.Т. Кавешникова и др. Из зарубежных учёных, изучавших работу шахтных водосбросов следует отметить В.Е. Вагнера, И.Н. Бредли, А.Т. Петерку, П. Новака, И. Кабелку. История проектирования водосливной поверхности шахтного водосброса повторила историю формирования водосливов практического профиля, сливной поверхности которого придавали форму нижней поверхности струи, формирующейся на водосливе с острой кромкой для получения безвакуумного профиля. При этом следует отметить некоторый консерватизм в практике зарубежного проектирования шахтных водосбросов. До сего времени методика проектирования проточной части ствола шахтных водосбросов основывается на работе Вагнера 1954г.

Методика некоторых аспектов гидравлических расчётов шахтных водосбросов включена в соответствующие "Рекомендации по гидравлическим расчётам" и гидравлические справочники. Тем не менее, до сих пор нет чётко разработанных методик гидравлического расчёта шахтных водосбросов как единого водосбросного сооружения, состоящего из водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена. Более того, существующие работы, посвященные, в основном, гидравлическим расчётам водоприёмной воронки, позволяют запроектировать четыре варианта очертаний её сливной поверхности. Таблицы для расчёта очертаний профиля воронки, приведенные в справочной литературе, дают возможность определить координаты сливной поверхности только воронки на высоте 3... 5 расчётных напоров в пределах 6... 10 метров.

К недостаткам существующих методов расчёта шахтных водосбросов также можно отнести неучёт возможностей производства работ по их сооружению. Прежде всего, следует отметить, что технология производства работ находится в некотором противоречии с технологией, необходимой для сооружения так называемого "идеального" очертания внутренней поверхности шахты. Внутренняя поверхность водоприёмной воронки и ствола шахты выполняется вогнутой в поперечном направлении и выпуклой в продольном. С геометрической точки зрения она представляет собой трёхмерную поверхность. Современные методы производства работ не имеют возможности выполнять опалубку для таких поверхностей, в связи с чем, они аппроксимируются системой усечённых конусов,

вписанных в продольный профиль шахты, что влечёт создание в процессе строительства сливной поверхности с переломами, служащими очагами формирования отрывных течений с образованием кавитационно опасных зон. Для устранения этих недостатков, в процессе проектирования шахтных водосбросов автором была разработана конструкция шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением, устраняющая эти противоречия.

Конструкция шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением защищена патентами РФ №2250951 от 25.03.2003 г и 2341615 от 14.02.2007 г По техническому решению этих патентов, институтом ЗАО ПО "Совинтервод" запроектировано для Сирийской Арабской Республики шесть шахтных водосбросов для гидроузлов с напорами от 25 до 45 м и расчётными расходами от 65 до 400м3/с. ЗАО "Зарубежводстрой" для Алжирской Республики автором был запроектирован шахтный водосброс полигонального поперечного сечения гидроузла Джедра с напором 55 м и расчётным расходом 636м /с.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является проведение анализа существующих методов расчёта шахтных водосбросов и разработка конструкции шахтного водосброса, обеспечивающего возможность с минимальными затратами реализовать проектные решения в процессе их строительства, а также разработать комплексную методику, позволяющую выполнить гидравлические, конструктивные и прочностные расчёты шахтного водосброса, преимущественно башенного типа.

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

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

- разработать конструкции шахтного водосброса, отвечающие возможностям производства работ;

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

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

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

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

- изучить кинематическую структуру потока в сопрягающем колене;

- на основании результатов модельных гидравлических исследований разработать расчётные зависимости для гидравлических расчётов шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;

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

- разработать методику определения расчётных напряжении в сечениях ствола шахты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик поперечного сечения по его длине;

- разработать методику определения расчётных напряжений в сечениях ствола шахты при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии на ствол шахтного водосброса башенного типа;

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

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

1. Выполнен анализ существующих методов расчёта проточного тракта шахтных водосбросов, позволивший выявить из них наиболее соответствующий реальным условиям движения воды.

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

3. Разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, устраняющая разрыв между теорией расчёта проточного тракта шахтного водосброса и технологическими возможностями строительства. Конструкция защищена двумя патентами РФ на изобретения.

4. Выполнено теоретическое обоснование параметров проточного тракта и внешнего контура ствола шахтного водосброса башенного типа.

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

6. Выполнены теоретические расчёты по определению осреднённого гидродинамического давления на криволинейную поверхность сопрягающего колена, работающего в безнапорном режиме.

7. Проведены детальные модельные гидравлические исследования шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, работающего как в напорном, так и безнапорном режиме.

8. Изучено распределение гидродинамического давления по длине и периметру проточного тракта шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, включая вогнутую поверхность сопрягающего колена.

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

10. Разработана методика определения расчётных напряжений в сечениях ствола шахты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик поперечного сечения по его длине.

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

12. Разработана методика определения оптимальных конструктивных параметров шахтного 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 водоприёмной воронки до отводящего водовода;

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

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

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

- результаты изучения распределения осреднённого гидродинамического давления на сливную поверхность ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;

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

- результаты изучения распределения осреднённого гидродинамического давления на пересечениях сливных граней ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;

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

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

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

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

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

Анализ существующих методов расчёта параметров водосливной поверхности ствола шахты позволил выделить наиболее достоверные решения, соответствующие физическим явлениям, сопровождающим движение воды в стволе шахты, и позволяющие запроектировать оптимальные конструкции.

Установлено, что внимание исследователей и авторов справочной литературы посвящено только расчётам проточного тракта шахтного водосброса. При этом совершенно не учтён тот факт, что современные технологии строительства не позволяют реализовать на практике поверхности, которые получены по результатам гидравлических расчётов. Одновременно, отсутствуют рекомендации по проектированию внешнего кошура шахтных водосбросов и расчётам прочности конструкции.

Для устранения выявленных недостатков расчётов шахтных водосбросов, разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, приводящая в соответствие гидравлические расчёты шахтного водосброса и технологические возможности его возведения. Обоснована конструктивная необходимость выполнения поперечного сечения ствола шахты в виде многоугольника с числом граней, кратным четырём. При этом четыре грани выполняются в виде криволинейных трапеций, а остальные грани в виде криволинейных треугольников.

Разработана методика расчёта параметров водосливных граней проточной части шахтного водосброса полигонального поперечного сечения для 12-и, 8-и и 4-хгранной сливной поверхности.

Теоретически обоснована возможность применения на шахтных водосбросах полигонального поперечного сечения вакуумных круглоцилиндрических оголовков. Выполнены подробные модельные исследования шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с 12-игранной водоприёмной воронкой, позволившие получить:

- зависимость пропускной способности шахтного водосброса с неподгоплен-ным и подтопленным режимом работы водоприёмной воронки для различных условий конструктивного оформления водоприёмной воронки и параметров акватории, в которой установлен шахтный водосброс;

- изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на оголовке водоприёмной воронки и сливных гранях;

- при его безнапорном режиме работы изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена и кинематические характеристики потока;

- изучена кинематика потока в выходном сечении сопрягающего колена с коаксиальными криволинейными поверхностями, работающего в напорном режиме для двух высот колена;

- предложены расчётные зависимости определения коэффициента расхода для ряда вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки с не-подтопленной и с затопленной водоприёмной воронкой и обобщённая зависимость, при расчётах по которой, по сравнению с оригинальными зависимостями, отклонения коэффициентов расхода не превосходят ±2%.

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

Установлено, что на цилиндрическом оголовке водоприёмной воронки шахтного водосброса полигонального поперечного сечения максимальный вакуум в два раза меньше, чем на таком же прямолинейном водосливе. Это позволяет использовать вакуумные оголовки на шахтных водосбросах при напорах, достигающих Нмакс=7.0м. При этом коэффициент расхода повышается до вели-

чины ш=0.50...0.52 по сравнению с коэффициентом расхода /?/=0.43...0.45 шахтных водосбросов безвакуумного профиля.

Выполнены теоретические расчёты распределения осреднённого гидродинамического давления на криволинейную грань сопрягающего колена при безнапорном режиме работы. Сопоставление результатов расчётов с данными экспериментов показало хорошую сходимость в широком диапазоне расходов.

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

собственного веса;

- внешнего гидростатического давления;

- ветровой нагрузки;

- волновой нагрузки;

- сейсмических воздействий.

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

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами модельных исследований шахтного водосброса полигонального поперечного сечения в широком диапазоне конструктивных и гидравлических параметров и совпадением с ними данных теоретических расчётов..

Методы исследования: теоретические и модельные гидравлические исследования совместно с конструкторскими расчётами.

Реализация работы. На основании теоретических расчётов и конструктивных проработок запроектировано шесть шахтных водосбросов для Сирийской Арабской республики и один шахтный водосброс для Алжирской Народно-демократической республики. Параметры и работоспособность шахтного водосброса гидроузла Джедра в АНДР подтверждены гидравлическими исследованиями на модели в масштабе 1:60 натуральной величины. По требованию «Заказчика», в процессе модельных гидравлических исследований был снят полуторачасовой фильм. Замечаний к результатам исследований не было, и по этому гидроузлу объявлен тендер на строительство.

Апробация работы. Тематика основных положений диссертации и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 2003-2012 г.г., на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Москва, ВВЦ, июль 2004 г.), на 3-й научно-технической конференции "Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии" - 2008г., на 4-й- 2009г, на 5-й- 2010г., ВНИИГ им Б.Е.Веденеева, Санкт-Петербург, на четвёртом всероссийском совещании гидроэнергетиков "Гидроэнергетика России. Развитие. Надёжность. Безопасность." круглый стол №3, 20Юг Москва., на международной научно-практической конференции МГУП "Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства", 20 Юг, Москва.

Публикации. Основные положения по вопросам, затронутым в диссертации, опубликованы в 31-й печатной работе, в том числе 16 публикаций в изданиях по перечню ВАК и двух патентах РФ.

Личный вклад. Настоящая работа выполнена в порядке личной инициативы автора. Все модели, исследования и обработка основных данных экспериментов выполнены автором.

Структура н объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав с частными выводами, общих выводов, библиографии (187 наименования из которых 23 на иностранных языках) и приложения. Содержит 430 страниц машинописного текста, в том числе 35 таблиц, 245 рисунков и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана её научная и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защшу.

В первой главе выполнен анализ существующих методов расчёта и проектирования шахтных водосбросов, в основном, башенного типа. Шахтные водосбросы являются одним из самых «молодых» водосбросных сооружений. Появление шахтного водосброса вызвано строительством гидроузлов в горных районах в условиях стеснённых створов, когда строительные расходы приходится пропускать через специальные строительные туннели. После завершения строительства эти туннели герметизировались созданием бетонной пробки. Для повышения экономичности строительства строительные туннели стали использовать для пропуска эксплуатационных расходов, для чего устраивали шахту для впуска воды в туннель ниже пробки. Устье шахты выполнялось в виде воронки с плавными очертаниями и размещалось в выемке, к которой из водохранилища подводилась вода. При такой конструкции подвода воды на гребне воронки возникал перекос потока, сопровождающийся интенсивным вращением воды в шахте, что вызывало динамические нагрузки и уменьшение пропускной способности. Перемещение шахты в сторону верхнего бьефа привело к появлению сначала комбинированных шахтных водосбросов, у которых только водоприёмная воронка размещалась в водохранилище, а затем и башенных водосбросов, у которых весь ствол шахты размещался в акватории водохранилища. Такая конструкция шахтного водосброса получила широкое применение не только в сочетании с отводящим туннелем, но и с железобетонной трубой, размещаемой под основанием плотины или в её теле.

Шахтный водосброс как комплексное гидротехническое сооружение состоит из пяти 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 исполнения этих основных конструктивных элементов.

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

В составе этого водосброса отводящий водовод и энергогасящее концевое устройство являются самостоятельными сооружениями, которые в значительной степени не связаны с конструкцией шахты, так что собственно шахтный водосброс состоит из водоприёмной воронки, ствола шахты и сопрягающего колена, которые и рассматриваются в дальнейшем.

Во второй главе рассмотрено современное состояние расчётов и проектирования шахтных водосбросов башенного и шахтнобашенного типа. Последовательно проанализирована работа водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена. Водоприёмная воронка шахтного водосброса представляет собой кольцевой водослив, как правило, круглоцилиндрической формы с центральным углом 360°. Форма струи и коэффициент расхода кольцевого водослива зависят от отношения напора Я к радиусу кривизны R гребня воронки. При отношении H/R—*0 криволинейный водослив превращается прямолинейный водослив.

Таким образом, параметры прямолинейного водослива могут служить критериями оценки физической обоснованности зависимостей, рекомендуемых для расчёта пропускной способности шахтных водосбросов, в связи с чем, выполнен анализ параметров потока и коэффициента расхода прямолинейного водослива с острой кромкой. Аппроксимация данных Базена по распределению давления в поперечном сечении максимального подъёма нижней поверхности струи на водосливе с острой кромкой позволила теоретическим путём получить величину коэффициента расхода т=0.507 для напора в этом сечении. Базен получил для этого сечения величину т=0.506, a P.P. Чугаев приводит значение /и=0.504

Одними из основных характеристик, определяющих конструкцию водоприёмной воронки, являются очертания её сливной поверхности и значение коэффициента расхода. Как и для профиля прямолинейного водослива практического профиля, профиль сливной поверхности водоприёмной воронки принимался по очертанию нижней поверхности струи, переливающейся через водослив с ост-

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

Рис. 1. Конструкция шахтного

водосброса:

рой 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:

(1+^7-71+7"), (1)

V у-п

где 2'= — , г" - , Р - избыточное давление под струёй, й-толщина струи а у-

удельный вес воды.

Система уравнений (1) не имеет общего решения и рассчитывается методами численного анализа. Для проверки достоверности решения по (1) была вычислена траектория свободного падения тела, 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 струи, 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 г и у относительно середины струи в сечении на гребне водоприёмной воронки г=(^и2)/(2У20) и толщину струи И=дН/(Я-у)/и, где ^-удельный расход на гребне водоприёмной воронки, Л- его радиус, а

+ 2 • g ■ г -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. Аналогичные исследования были выполнены В.Г. Скрягой и Н.И. Романько, которые дали свои значения соответствующих координат свободной поверхности струи. П.П. Мойс предложил профиль сливной поверхности воронки выполнять эллиптического очертания. На рис. 2 представлено сопоставление профилей воронки по этим методикам расчёта. Как видно по рис. 2, получаются достаточно разнящиеся профили сливной поверхности воронки шахтного водосброса, в зависимости от принятого метода расчёта.

Авторы справочной литературы, посвященной расчётам шахтных водосбросов, рекомендуют использовать способы расчёта в зависимости от собственных предпочтений. При этом следует отметить, что одновременно предлагается несколько способов без их сравнительного анализа, что вызывает определённые затруднения их применения при проектировании шахтных водосбросов.

Для упрощения конструкции в продольном сечении ствол шахтного водосброса выполняется либо цилиндрическим, Рис. 2. Сопоставление очертания сливной либо, сужающимся за

поверхности воронки шахты гидроузла Джедра ^gj. ускоренного движения воды. При выполнении ствола цилиндрическим, ниже сечения смыкания струй следует подводить воздух для срыва вакуума. Одним из важных конструктивных элементов шахтного водосброса является колено, сопрягающее ствол шахты и отводящий водовод. Первые шахтные водосбросы выполнялись с круглоцилиндрическим поперечным сечением всей конструкции с коленом и отводящим водоводом одного диаметра. Это приводило к тому, что ниже сече-

5Г"

ч Ч

ч \ ч

ч s S

ч \ Ч

"ч

ч 1

\ ч V \

к. V

ч \ ^

у V

\ S \ А

\ \ \ 5 6 _L e > О

\ \ ^

V

• \

. \

\ И

V

\ д

\\

1 1

\ 1 f

\ }

1

1

0123456789 10 11 12 Расстояние по горгаонгапи от гребня аоронкн у, м

■ - - - Ахутин -А- - М0|С

-Скряга, Вагяер — ---Ронаяько

— - — - ось еттоля Шахт

ним смыкания струи за счет ускоренного падения воды происходит отрыв потока от стен ствола шахтного водосброса с образованием зоны глубокого вакуум. Периодически, в эту зону прорывается воздух, который срывает этот вакуум и вызывает выброс воздуха из ствола шахты, как это показано на фото рис. 3. Такой режим работы шахтного водосброса создаёт неблагоприятный режим работы и большие динамические нагрузки. Предотвращение этого явления удалось достичь увеличением диаметра ствола шахты 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 кавитацион-ной эрозии. Для исключения этой опасности, стали использовать отводящие водоводы, работающие в безнапорном режиме во всём диапазоне расходов. С этой целью во входном сечении сопрягающего колена стали устанавливать отклоняющие носки, отрывающие поток от Рис. 3. Выброс воздуха из шахты выпуклого потолочного уча-шахтного водосброса гидроузла стка.

Пропускная способность шахтного водосброса при неподгопленном режиме работы водоприёмной воронки определяется расходом через её гребень, который рассчитывается по общей формуле расхода через водослив:

Q = m b-^2-g-H' =£-mo-(2-z-R~n-t)-^2-g-H3 , (2)

где: т,о b, R и Н соответственно коэффициент расхода, длина в свету водосливного фронта радиус гребня водоприёмной воронки и напор на нём, а П, t и £ число элементов, стесняющих водосливной фронт, их толщина и коэффициент сжатия, принимаемый: е = 1 при п = 0 и е = 0.9 при ПФ 0 .

Сложность гидравлических явлений, происходящих в шахтных водосбросах, не позволила создать единой теории их расчётов, что привело к появлению большого

количества типов построенных конструкций.

Интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение работы шахтного водосброса началось после появления в 1954 г работы В.Е. Вагнера, в которой он изложил результаты исследований кольцевого водослива с острой кромкой. В этой работе были приведены очертания верхней и нижней поверхности свободной струи, переливающейся через водослив с острой кромкой, в зависимости от относительного напора H/R на гребне. Теория расчётов и проектирования шахт-

ного водосброса прошла путь развития теории расчётов и проектирования водослива безвакуумного профиля. В отличие от прямолинейного водослива, профиль свободной поверхности потока на шахтном водосбросе имеет меньшую кривизну за счёт уменьшения радиуса ствола шахты по мере удаления от гребня водоприёмной воронки, что вызывает уменьшение коэффициента расхода тем больше, чем больше относительный расчётный напор на гребне водоприёмной воронки Hj/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 физике явлений следует признать двучленную формулу П.П. Мойса, которая для расчётного напора Нр имеет вид:

т0 =(0.507-0.136-Нр IR) (3)

По этой зависимости при R -»со должен получиться коэффициента расхода для прямолинейного водослива безвакуумного профиля, в который превращается кольцевой водослив. В этом случае по П.П. Мойсу та = 0.507. Аналогичная зависимость по В.Г. Скряге даёт то = 0.56, а Н.И Романько т0 = 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 водоприёмной 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 а„р и а„/т учитывающие наличие конструктивных элементов на водоприёмной воронке и изменение напора на её гребне:

^ = (4)

Шахтный водосброс, по преимуществу, выполняется как нерегулируемое водосбросное сооружение, которое начинает работать с напора, который превосходит величину каппилярного 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 Он/но, однако его значения ограничиваются нижним пределом напоров Нмия=(0.25...0.3)Нрасч, что так же затрудняет гидравлические расчёты шахтных водосбросов.

Результаты экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса зависят от масштаба модели. Для уточнения коэффициен-

та расхода П.П. Мойсом предложена формула, в которой масштаб модели учитывается числом Рейнольдса Не:

г- 1 186

Однако, использовать зависимость (5) для вновь проектируемых сооружений невозможно, поскольку масштаб исследованной П.П. Мойсом модели будет отличаться от масштаба, для которого выведена зависимость (5). Для устранения этого недостатка нами выполнены соответствующие преобразования, позволяющие выполнить уточнение величины коэффициента расчёта уже на стадии проектирования. Это выражение имеет вид:

0.00427-Я'176 К =1+-р-— > (6)

™ „,0784 тт1.176

?П Л

где Нрп Н - расчётный и текущий напоры проектируемого сооружения, а т -коэффициент расхода, рассчитанный по (4).

Большинство построенных шахтных водосбросов рассчитано на пропуск максимальных расходов с затопленным режимом работы водоприёмной воронки и с напорным режимом работы всего водопроводящего тракта. В этом режиме работы пропускная способность шахтного водосброса в общем виде определяется по формуле расхода напорного водосброса исходя из предположения нулевого давления в выходном сечении ствола шахты:

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

, 1 <8>

ос + С.

С \

0)мх

2 _ , Г \2

¿—I г п

1 ¡Ср !Ср

(О.

где: а = 1 + - коэффициент Кориолиса, Сдвых и (дх - площадь расчётного

210

С*

сечения потока, по которому рассчитывается величина местного сопротивления, Н- напор на гребне водоприёмной воронки, 20— расстояние от гребня водоприёмной воронки до выходного сечения ствола шахты и а - расстояние от него до

сжатого сечения, С1ср, Я1ср, СО 1ср - коэффициент Шези, гидравлический радиус и

площадь поперечного сечения, вычисленные по среднему сечению /'-го участка

длиной /., ¿¡ех и С к ~ коэффициенты сопротивления водоприёмной воронки и

сопрягающего колена, п - количество участков, по которым определяются потери по длине.

Имеется большое количество шахтных водосбросов, запроектированных для работы в напорном режиме только части водопроводящего тракта шахтного во-

досброса. В диссертации проанализированы методики расчёта таких сооружений. исследованных различными авторами. Наибольшие затруднения при расчётах пропускной способности по (7) вызваны неопределённостью определения в

(8) коэффициента Кориолиса а и коэффициента ¿¡¡к сопротивления 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 СО шх поперечного сечения сооружения необходимо использовать площадь сжатого сечения потока S • (0вых, что не учитывает зависимость (7). В диссертации проанализированы наиболее употребляемые зависимости для определения коэффициента сжатия потока е и сопротивления колена ^к . 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.

В результате анализа работы шахтных водосбросов установлено, что напорный режим работы шахтного водосброса не удовлетворяет требованиям безопасности гидроузла.

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 (heaK)uaKO/H = f(H/R) в зависимости от профиля водоприёмной воронки, показанный на рис. 4.

Рис. 4.

Величина максимального вакуума на сливной поверхности водоприёмной воронки (И

тт

в зависимости от профиля водоприёмной воронки

——Ж— очертание водоприемной воронки поАхугин/ —О— по Вагнеру * • ^ ■ • по Мой су

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. Профиль проточного тракта, который получается по гидравлическим расчётам, не может быть реализован в процессе строительства. Конструкции шахтного водосброса кругового поперечного сечения делает сливную поверхность двоякой кривизны, которую невозможно выполнить существующими методами производства работ. Замена этой поверхности системой конических колец, создаёт стыки, которые являются источниками опасности кавитационной 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 кавита-ционные каверны глубиной до 0.6м, которые на фото рис. 5 имеют вид тёмных подтёков. Кроме того, в существующей научно-технической литературе полностью отсутствуют Рис. 5. Внутренняя поверхность сопря какие-либо рекомендации по расчё-гающего колена шахтного водосброс; там прочности конструктивных эле-гидроузла Регадерав Колумбии ментов и сооружения в целом

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 и №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 круглоцилиндриче-ским. 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 усло-

вию соответствует сопряжение сливнои 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.

На рис. 6 приведены варианты плановых очертаний шахты с полигональным поперечным сечением.

Оно

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

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 сходятся в верши-

нах углов выходного сечення 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 четырёхугольника, восьмиугольника и двенадцатиугольника. Такая конструкция внутренней поверхности шахтного водосброса обеспечивает плавный переход от многоугольной водосливной воронки к прямоугольному входному сечению колена, сопрягающего шахту с отводящим водоводом.

Для построения направляющих сливных граней шахтного водосброса полигонального поперечного сечения выведены соответствующие аналитические зависимости, в которые входят параметры, приведенные на схеме рис. 7.

Рис. 7.

Схема к определению параметров направляющих сливных граней шахтного водосброса полигонального поперечного сечения: г - радиус гребня оголовка шахты; а, Ъ — полуоси направляющей; Игр и Ио - апофемы многоугольников, образуемых осями гребня оголовка шахты и линиями касания поверхности оголовка и сливной поверхности;

Величины полуосей направляющих сливных граней определяются по зави симостям:

__У^о "(го -1-5-Р); а.й

(9)

\/2о ~ 3 - О " а — ^а2

При толщине / стенки воронки шахты, координаты направляющих внешней поверхности водоприёмной воронки определяются как:

а

1-

г-а1

2 = 2-

г-ь-г

(10)

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 стороной А=6.029м по оси гребня воронки. Максимальный расход 0=628 м3/с при напоре 2.55м. Полная высота шахты г=53м. Нижнее сечение ствола шахты квадратное со стороной ¿=6.00м. Заканчивается ствол шахты конфузором высотой 5.5 м, образованным за счёт отклонения грани шахты в сторону верхнего бьефа.

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

напорном режиме прп пропуске расчётного расхода, неизбежно приводит к появлению переходных режимов при пропуске расходов, меньших расчётного.

В то же время, использование напорного режима в отводящем водоводе с целью снижения его стоимости не всегда экономически оправдано, т.к. необходимость выполнения конструктивных мероприятий по нейтрализации последствий. связанных с появлением гидравлического удара при смене режимов, сводит на нет эту экономию. Кроме того, использование шахтных водосбросов, работающих в напорном режиме, многократно снижает безопасность гидроузла из-за неточного определения величины расчётного расхода. Поэтому предпочтительно проектировать работу сопрягающего колена и отводящего водовода в безнапорном режиме. С этой целью целесообразно придавать нижнему участку ствола шахты форму конфузора за счёт отклонения поверхности 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 шахтного водосброса гидроузла Джедра имевшего двенадцатигранное поперечное сечение. На рис. 9 представлено фото модели со стороны водоприёмной ворошен, а на рис. 10 продольный разрез шахтного водосброса полигонального поперечного сечения со схемой размещения пьезометров.

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

Рис. 9.

Рис. 10.

Модель 12-и гранного шахтного водосброса. Вид водоприёмной воронки

Продольный разрез модели шахтного водосброса со схемой размещения пьезометров

Конструкция оформления водоприёмного устройства Высота выходного сечения сопрягающего конфузора. а. м

2.5 3.36 4.5 5.0 5.5 6.0

Свободный вход (вариант 1, рис. 3.24,а) ■ ■ ■ ■

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

Бык с НБ (вариант 3 рис. 3.24,в) ■ ■ ■ ■

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) ■ ■

Тонкая стенка с НБ (вариант 6) ■ ■

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

1 вариант

2 Вариант

3 бариант

т

■6.7SJ, J.5.B5 . 12.6

4 бариант 5 Вариант 6 бариант

Рис. 11. Схемы исследованных вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки

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

В четвёртой главе представлены результаты визуальных наблюдений за режимами движения воды в шахтном водосбросе. Во всём диапазоне исследованных расходов с безнапорным режимом для всех вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки по всей длине проточного тракта шахты от верхнего бьефа до входа в сопрягающее колено поток представлял собой стекловидное тело без наличия участков самоаэрации.

На рис 12 в качестве примера показаны фото потока внутри водоприёмной воронки и в стволе шахтного водосброса при пропуске расчётного расхода 0=636м3/с для варианта с установкой быка со стороны верхнего бьефа при безнапорном режиме всего проточного тракта шахты.

а) б)

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

Такой режим наблюдался до тех пор, пока поток не заполнял полностью выходное сечение конфузора. После этого происходило занапоривание ствола шахты с соответствующим подъёмом в нём уровня воды.

На рис. 13 показано фото потока в проточном тракте шахтного водосброса при пропуске расхода 0=680м3/с напорным режимом в стволе. В этом режиме работы во всём проточном тракте, включая сопрягающее колене, поток представлял стекловидное тело.

В стволе формировалось вращательное движение воды с периодическим образованием воздушной воронки, хвостовой участок которой периодически отрывался и уносился в отводящий туннель, как это видно на фото рис. 13, б) с напорным режимом в стволе, а)- водоприёмная воронка; б)- ствол шахты.

а)

Рис. 14. Фото шахтного водосброса при работе с напорным режимом, вход свободный: а) - а= 6.0м, б) - о=5.5м Установка быка на входе в водоприёмную воронку, так же как и уменьшение размеров выходного сечения ствола шахты, являлись факторами, стабилизирующими режим протекания воды.

При подтоплении гребня водоприёмной воронки и переходе водоприёмной воронки в затопленный режим работы резко возросла интенсивность вращательного движения и воронкообразования,

Рис. 13. Фото шахтного водосброса при пропуске расхода О=680м3/с

При отсутствии быка интенсивность воздушной воронки менялась от полного исчезновения до размеров, при которых поперечное сечение воздушного жгута в выходном сечении ствола достигало 6% от его площади, как это видно на фото рис. 14, а). При установке быка и стеснении выходного сечения ствола шахты приводило к резкому снижению размеров воздушного жгута. Как видно по фото рис. 14, б) стеснение выходного сечения ствола шахты на 8.3% привело к уменьшению его сечения воздушной воронкой до 0.5%.

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

В пятой главе изложены результаты исследования пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения. Предварительно нами был выполнен анализ существующих теоретических расчётных зависимостей для определения пропускной способности шахтных водосбросов, работающих с безнапорным и напорным режимом проточного тракта шахты. В результате этого анализа установлено, что расчёты пропускной способности напорного режима шахтных водосбросов менее надёжны, чем расчёты безнапорного режима, и не отвечают требованиям безопасности гидроузла. Исследования пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения были выполнены для всех вариантов конструкций, показанных в таблице 1 и результаты этих исследований представлены на рис. 15 в виде графиков зависимости 0=/(Н).

1000 -т

Ч < Г * ♦ 4

ю е- ц ♦ 1 / 3 Л й

£ Л А д 1 Ч

X о га А о £ О - *

гО л

Г *»

А А я а

1

■

4

300 200 100 \

£

О 0

»

А 1

>*

° а =2.5 м. бык с ВБ

ж а =2.5 м. быке НБ

о а =3.36 м. тонкая стенка с НБ а =4.5 м. без быков.

А а=4.5м. бык с НБ

X а=5.0 м. без быков

и 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

* а=5 5м. без быков

• 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

2 3 4 5

Напор на гребне воронки, м

Рис. 15.

Зависимость расхода шахтного водосброса полигонального поперечного сечения от напора на гребне водоприёмной воронки для вариантов конструкции по таблице 1

Как видно по этим графикам, изменение пропускной зависимости имеет кру товосходящий и пологие участки, которые, в свою очередь, состоят из семейства линий, соответствующих величине площади выходного сечения ствола шахты. Поскольку объективной оценкой пропускной способности водосброса является его коэффициент расхода т, результаты этих исследований представлены в виде графиков т=/(Н), полученных из уравнения (2). Эти графики представлены на рис. 16.

о а =2.5 м, бык с ВБ

ж а =2.5 к, быке НБ

о а =3.36 м, тонкая стенка с НБ

• а =4.5 м, без быков,

А а=4.5м, бык с НБ X а=5.Ом, без быков ■ 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+ т сикая стенка с НБ

л а=5.5м, без быков

• а=5.5м, бык с ВБ д а=6.Ом, без быков

• а=6.0 м, быке 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 Эти графики имеют три характерных участка: крутовосходящие, пологовос-ходящие и нисходящие участки. Восходящие участки соответствуют работе шахтного водосброса с неподгопленной водоприёмной воронкой, а нисходящие участки работе с затопленной водоприёмной воронкой. В диссертации выполнен подробный анализ пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения при работе с неподтопленной и затопленной водоприёмной воронкой.

Для возможности выполнения сопоставительного анализа пропускной способности вариантов конструкции при неподтопленном режиме, была выполнена

аппроксимация частных графиков зависимости т=/(Н) для каждого исследованного варианта. Прежде всего, были проанализированы результаты аппроксимации экспериментальных данных единой кривой для всего диапазона напоров, отдельно для крутовосходящий и пологой ветвей.

При этом крутовосходящая ветвь была аппроксимирована двумя типами кривых: параболической и трёхчленом. Наиболее успешной оказалась раздельная аппроксимация этих участков: крутовосходящего участка трёхчленом, а пологого участка параболической кривой. Было также проанализировано влияние учёта масштабной поправки по (5) на изменение коэффициента расхода. Оказалось, что при относительном напоре Н/Нрасч<0.25, поправочный коэффициент растёт быстрее, чем происходит снижение экспериментальных значений коэффициента расхода, и при Я -» О коэффициент расхода с поправкой т'—> оо, чего не может быть. Оказалось, что для всех вариантов конструктивного оформления при Я -> О экспериментальные значения коэффициента расхода принимали значения в диапазоне ти=0 =0.265...0.273. Теоретический анализ изменения коэффициента расхода при уменьшении напора Н 0 на гребне водоприёмной воронки дал значение тц~о =0.304. Аппроксимация данных П.П. Мойса для шахтного водосброса с относительным расчётным напором Ярасч/К=0.2...0.5 даёт значения /яя-о =0.275...0.299, что подтвердило правильность предположения, что тХ) при Я=0. Учитывая эти обстоятельства, получены обобщённые зависимости для определения коэффициентов расхода с точностью ±2% для всех вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки в относительных координатах т=Г(У/г):

- для напоров я/Нрас, ¿0.655: т =-0.006-(Я/г)2 + 0.115-(#/г)+0.269 (11) -для напоров 1Л5> Н/Нрасч >0.655: т = 0.456-(Я/г)°099 (12)

Аналогично анализу работы шахтного водосброса с неподтопленной водоприёмной воронкой выполнен анализ данных экспериментального изучения работы шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с её затопленным режимом. Пропускная способность шахтного водосброса определяется уравнением (7) и является многофакгорным параметром, в связи с чем, однозначно не определяется изменением напора на гребне водоприёмной воронки, как это видно из графиков на рис. 15 и 16. Главным фактором, определяющим расход водосброса в этом случае, является площадь выходного сечения со^ ствола шахты, так же как и коэффициент расхода /и, определяемый по (8). Эта зависимость представляет собой многофункциональную величину и определяется коэффициентом Кориолиса а, коэффициентами местных сопротивлений £ и коэффициентом Дарси X потерь по длине. Однако, несмотря на наличие обширных теоретических и экспериментальных исследований, при определении этих коэффициентов возникают затруднения из-за большого разброса их значений. Кроме того, при оформлении концевого участка ствола шахты в виде конфузора, появляется необходимость в определении коэффициента сжатия потока при вертикальном истечении и закономерности распределения скоростей и давлений в

выходном сечении конфузора. На рис. 16 представлены графики изменения коэффициентов расхода при затопленном режиме работы водоприёмной воронки в зависимости от напора на её гребне. Эти графики представляют собой ответвления от основной компактной системы экспериментальных точек.

При конфузорном исполнении конечного участка ствола шахты коэффициент расхода цк определяется по выражению относительно напора 1 над выходным сечением:

Мк =<р-со&свв-л\\--(13)

где соь-срв и рср - средние значение угла наклона вектора скорости к плоскости выходного сечения конфузора и давления в нём.

Чтобы использовать зависимость (13), прежде всего, необходимо установить границу Нкр между безнапорным и напорным режимами работы шахтного водосброса. На основании экспериментальных данных нами было получено выражение для определения её величины в зависимости от высоты конфузора на входе а0 и выходе а, длины В гребня водоприёмной воронки и расстояния 2а между ним и выходным сечением конфузора и расчётным напором Нпр:

Я.

= 1.523-

/ \ 0.778

а а-Ъ

. В _

2/3

iü

(14)

После этого были проанализированы существующие расчётные зависимости для определения коэффициента сжатия потока е. Во всех курсах гидравлики, начиная с "Гидравлического справочника" H.H. Павловского и других более ранних работах, приводятся данные по расчёту коэффициента сжатия потока е для случаев истечения из отверстий в вертикальной стенке для потоков, имеющих стеснённое сечение с параллельноструйным течением и гидростатическим распределением давления в нём. При определении коэффициента сжатия верти-кальнопадающего потока появляется неопределённость в определении положения сжатого сечения, поскольку толщина струи постоянно меняется. Кроме того, устройство сопрягающего колена деформирует струю уже на выходе из ствола шахты, вызывая появление в ней внутреннего давления от центробежных сил, изменяя одновременно геометрию поперечного сечения. Такой режим движения воды не нашёл отражения в гидравлической литературе. На основании обработки экспериментального материала было установлено, что в диапазоне относительной высоты выходного сечения конфузора а/ао =0.417...0.917 коэффициент сжатия потока имеет значения £=0.870...0.97, в то время как, в зависимости от источника информации, он может быть получен в пределах е=(0.697...0.754)...(0.871...0.992).

Для оценки величины коэффициента скорости (р было проведено сопоставление значений параметров, входящих в (8) по имеющимся зависимостям и по данным результатов исследований. Для предварительного определения коэффициента Кориолиса а в справочной литературе рекомендуется формула, приве-

денная на стр. 17 в зависимости от коэффициента Шези С. Однако она применима только для потоков, имеющих параллельноструйное движение. В сходящемся потоке, которое имеет место в конфузоре, коэффициент Кориолиса а может быть определён по зависимости, полученной автором: 2 2-&„ + бш 29„ где ва - угол конусности конфузора. Эта зависимость

получена из предположения, что течение в конфузоре происходит как в секторе линейного стока.

Для конфузоров с относительной высотой выходного сечения а/а0 =0.56, 0.7, 0.917 и 1.0 была определена скоростная структура потока, по которой подсчитаны значения коэффициента а. Теоретические значения, соответственно, равнялись ат=1.12, 1.044, 1.02 и 1, в то время как по данным эксперимента аэ1Г= 1.164, 1.064, 1.022 и 1.02. Это расхождение связано с тем, что теория стоков не учитывает снижение скоростей в пристенных областях течения. Теоретические расчёты позволили так же определить величину сое = ■

Сопоставительные расчёты для модели и натуры с использованием зависимости А. Д. Альтшуля определения коэффициента Дарси Я позволили дать оценку влияния потерь по длине в стволе шахты. Принято считать, что при числах Рей-нольдса Яе>104 вязкость воды уже не влияет на потери по длине модели и модельные данные можно пересчитывать на натуру пропорционально масштабу модели. Однако, в проведенных модельных исследованиях при числах Яе в диапазоне (2...0.9)*105 отношение коэффициентов потерь по длине дн /дм находилось в диапазоне 1.15...1.01 для значения коэффициента шероховатости п=0.016 для натуры, и в диапазоне 1.04. ..0.91 для значения коэффициента шероховатости п=0.015. Из этого следует, что модельные данные потерь по длине следует уточнять расчётами.

Для определения коэффициентов местных сопротивлений требуется достаточно подробное изучение кинематики потока средствами, обеспечивающими возможность оценки местной энергии потока, что не всегда возможно выполнить. С другой стороны, имеются достаточно объёмные исследования И.Е. Идельчика, охватывающие, практически, все типы местных сопротивлений, встречающиеся в гидротехнике. Эти данные были использованы для анализа влияния местных потерь.

Исследования кинематической структуры потока на модели позволили так же определить распределение осреднённого гидродинамического давления в плоскости выходного сечения конфузора. Все эти данные позволили теоретически определить значения коэффициента расхода ц. Сопоставление этих значений с экспериментальными данными показало, что разброс расхождений находится в пределах +0.75...-0.6%. Зависимостьаппроксимируется уравнением ( \4 /'У ' ~

ц = 9.276 •

а

-23-728'

а

+ 21.745.

-8.192-—+ 1.79. (15)

которое позволяет, при необходимости, рассчитывать пропускную способность шахтного водосброса с затопленной водоприёмной воронкой.

В шестой главе изложены результаты изучения распределения давлений в проточном тракте шахты.

На рис. 17 показана общая картина распределение давления в м. вод. ст. на верховой и низовой гранях шахтного водосброса. а=5.0м при свободном входе на водоприёмную воронку.

-поверхность шалы ■ Н=0.92м -Н=И .99м -Н-2.50К

устья пьезом етров ■ Н=1,22м Н=2.34м - Н=3.48м

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

Распределение давления изучалось для всех вариантов конструктивного оформления ствола шахты, представленных в таблице 1. Давление изучалось с помощью 122 пьезометров, установленных на семи гранях сливной поверхности шахты, на стыках граней и на вогнутой поверхности сопрягающего колена. Как видно по рис.17, представление эпюр давления на геометрическом изображении сечения поверхности даёт искажённое представление о характере распределения

Расстояние от продольной оси шахты, м 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25

давлений. Объективное представление даёт изображение эпюры распределения давлений на прямолинейной развёртке поверхности, которое и было принято при обработке результатов исследования давления.

Детальное распределение давления на гранях водоприёмной воронки и сливных гранях ствола шахты изучено для варианта шахты с бычком, расположенным со стороны верхнего бьефа для 10-и напоров в диапазоне от Я=0.87..5.86м. которым соответствовали расходы в диапазоне 0=95...704куб.м/с для варианта с быком со стороны верхнего бьефа с высотой выходного сечения конфузора ¿7=5.Ом и для варианта со свободным входом.

На рис. 18 представлены эпюры распределения давления на верховую грань водосливной поверхности шахты. В качестве примера распределения давления показано для варианта со свободным входом в водоприёмную ворону с высотой выходного сечения конфузора а=5.0м для абсолютного р в м. вод. ст. и относительного р — р / уН давления.

Как видно по графикам рис 18, при безнапорном режиме работы давление на сливной поверхности грани ниже оголовка водоприёмной ворошен до входного сечения конфузора во всём диапазоне расходов близко к нулю.

а) - давление м. вод. ст. б) - давление р = p/jfi

Рис. 18. Распределение давления на верховую грань сливной поверхности шахты со свободным входом с а=5.0м. Изменение минимального давления на оголовке водоприёмной воронки в долях от напора рлт„/Н на его гребне в зависимости от относительного напора Н/r приведено на рис. 19.

Рис. 19. Изменение минимального давления на оголовке водоприёмной воронки в долях от напора рми1/Н на его гребне в зависимости от относительного напора Н/г

Как видно по графикам рис. 19, максимальные значения вакуума на оголовке водоприёмной воронки находятся в диапазоне значений ^.^./#=0.6... 0.78 в диапазоне относительных значений напора Н/г= 3.2...3.6. Из этого следует, что диапазон напоров, при которых вакуум на гребне оголовка водоприёмной воронки достигает максимума, имеет те же значения, что и по данным Н.П. Розанова. Величина же максимального вакуума на вакуумном оголовке шахты в 2 раза меньше вакуума на прямолинейном водосливе с такими же параметрами оголовка. Эту же величину максимальный вакуум на оголовке имеет на всех изученных гранях и для всех вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки. Для этого вакуума по методике Н.П. Розанова был вычислен максимальный напор на гребне водоприёмной воронки по условиям отсутствия кавитации, который равен Нмакс=1.0ш, что значительно больше напоров, на которые рассчитана работа шахтных водосбросов. Из этого следует, что нет опасности кавитационной эрозии при использовании вакуумных оголовков на шахтных водосбросах. Для оценки опасности кавитационной эрозии на сливных гранях было вычислено распределение коэффициентов кавитации по высоте ствола шахты. Минимальное значение составило акав=1.62 при допустимом значении Гсткав=1-0]. Это подтверждает справедливость предпосылки о рациональности проектирования шахтных водосбросов с полигональным поперечным сечением, обеспечивающих возможность выполнения сливной поверхности без изломов.

Изучение распределения давления на продольных стыках сливных граней показало, что оно не отличается от давления на поверхностях граней.

Исследования пропускной способности шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением были выполнены 12-и гранного поперечного сечения. Коэффициенты расходов т определяются законом изменения давления по глубине потока на гребне водослива.

При вогнутой поверхности потока, как на водосливе с широким порогом, центробежные силы направлены внутрь потока. Увеличение давления по сравнению с гидростатическим ведёт к уменьшению скоростного напора и. соответственно, к уменьшению расхода по сравнению с расходом аналогичного потока с гидростатическим распределением давления.

При выпуклой поверхности потока, как на водосливах практического профиля, центробежные силы направлены наружу потока. Уменьшение давления по сравнению с гидростатическим ведёт к росту скоростного напора и, соответственно, к увеличению расхода.

На графиках рис. 20 представлено характерное распределение энергии внутри потока на водосливе в долях от полной энергии На для водослива с широким порогом, водослива практического профиля с прямолинейной вставкой на гребне как на водосбросе №2 Богучанской ГЭС, безвакуумного профиля и с кругло-цилиндрическим оголовком. При анализе потери энергии приняты /?,„=().05Но.

Степень искривления потока в шахтном водосбросе определяется крутизной падения сливной поверхности ствола шахты. Для исследованного варианта тангенса угла вертикалью средней линии имел значение 0.22.

Относительная доля энергии е/Н0

2.5 1.5 1 0.5

/

//

/ /

/ /

/ / Z/Ho

/ / /

/ /

/ / /

/ /

/

/ I ■ 0.65

— Рцд=0 РцД=0.1 Рцд =-0.2 Рид= 0,5

-Рцд= 0.78 Рцд=-1 .56 Но=1 - hw/H

Рис. 6.20.

Распределение относительной энергии по глубине потока в зависимости от величины максимального вакуума на оголовке водослива

Впредь, до получения на основании соответствующих модельных исследований, значения коэффициентов расходов шахтных водосбросов с 8-и и 4-хгранными поперечными сечениями можно определять по зависимостям (11) и (12), проектируя профиль сливной поверхности ствола шахты с этим уклоном.

В седьмой главе изложены результаты исследования параметров потока в сопрягающем колене шахтного водосброса. Теоретическое изучение распределения скоростей и давлений по толщине струи И безнапорного потока, деформируемого в вертикальной плоскости вогнутой поверхностью сопрягающего колена, выполнено на основании анализа уравнения энергии в радиальном сечении.

записанного с учётом кинематического давления, вызванного центробежными силами, развивающимися при движении воды по криволинейным траекториям. При анализе изменения кинетического давления принято, что изменение между кривизной донной кд и поверхностной к„ струйками потока происходит по степенному закону с показателем т, что позволяет определить кривизну к струйки на расстоянии г от дна потока. Обозначив безразмерное значение кривизны струйки как а=кИ, получим исходное дифференциальное уравнение для определения скорости: ¿н/м = (/г-лга +И-Ак-у"')-с1у = (ад +Да-ут)-с$>,

интегрирование которого даёт уравнение и = С ■ е^ауУ+"•+1 . Постоянная интегрирования определяется из уравнения неразрывности, с учётом чего зависимость для определения скорости принимает вид:

= Проинтегрировать выраже-

о

ние в знаменателе можно, используя разложение в ряд подкоренное выражение.

После интегрирования, выполнив соответствующие преобразования, были получены выражения (7.20) и (7.22) диссертации для определения изменения по толщине струи скорости и величины кинетического давления в зависимости от показателя степени т. Для определения его значения были построены теоретические кривые распределения давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена для трёх значений т=0.5, 1 и 2 и сопоставлены с показаниями пьезометров. Экспериментальные точки полностью расположились на теоретической кривой, соответствующей значению т= 1, которое и принято в дальнейших расчётах. Для возможности использования полученных уравнений, необходимо знать кривизну свободной поверхности потока по всей длине сопрягающего колена, включая начальный участок туннеля. Для получения этой информации была выполнена камеральная обработка профилей свободной поверхности воды, сформированной в колене при напорном режиме работы ствола шахты с высотой выходного сечения конфузора, а=2.5; 3.36; 4.5; 5.0; 5.5 и 6.0м. По фото для варианта с я=5.0м были определены координаты свободной поверхности в декартовой и полярной системах координат и в параметрической форме. Наилучшее приближение показала аппроксимация свободной поверхности в параметрической форме, которая и была принята для дальнейшей обработки.

Используя аппроксимации, получены зависимости изменения кривизны свободной поверхности по длине сопрягающего колена. В качестве примера на рис. 21 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 о=4.5м, с быком с НБ. О=609м3/с.

Рис. 21. 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 22 приведено распределение скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при высоте выходного сечения конфузора о=4.5м, бык с НБ,

Рис. 22. Распределение скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при высоте выходного сечения конфузора

а=4.5м,. быке НБ, (З=609м3/с

Результаты теоретических выводов были использованы для анализа результатов экспериментального изучения 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 на-

Расстояние 2 -30 -25 -20 т верхового ребра вых 5 -10 -5 одного сечения конфузора X. м 5 10 15 20

Расстояние от выходного сечения конфузора 2 ' <1 /

Ч *

V \ \

ж

\ N \ж г

\ ь^ \ ж

Ч '•

4 • Л ж. __ ж- — —ж -

45 ......0 □ 0 -п онфуэор и колено — =706куб м/с, рвеч =689куб м/с. опыт _ оверхность потока ---0= д 0= ---0 = 727куб 706куб 652куб . . .д - . и/с. рас и/с. опь и/с. рас —- 0=7 0=6 о=е 27куб м 89куб м 52куб м С. опыт с. опыт

у

■ у 1

.л У "

/' " /

г

г /'

!А /л

■ " /

я „ у-,

ж

24

26

— С-0, расчет

— С-2, расчет

— С-4, расчет С-6. расчет СВ. расчет

д С-0. эксперимент 1 С-2. эксперимент С-4. эксперимент Св. эксперимент СВ. эксперимент

-С-1, расчет

СЭ. расчет С5. расчет С7. расчет

С1.эксперимент СЗ.эксперимент С5. эксперимент С-7. эксперимент

порном режиме. Исследован™ показали, что коэффициент сопротивления безнапорного колена при отношении КЯос с1г<5 на 18... 14% меньше расчётных потерь по длине колена, а при напорном режиме на 20% больше. Были так же апробированы теоретические зависимости для вычисления распределения осред-нённых скоростей по глубине потока в сопрягающем колене при безнапорном режиме его работы. На рис. 22 приведено сопоставление результатов расчёта скоростей с результатами экспериментов для 8-и створов по длине сопрягающего колена, которое показывает хорошее совпадение с результатами экспериментов.

В восьмой главе изложены результаты определения 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 относятся нагрузки при пропуске 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 поперечного сечения ствола шахты имеет сложный закон изменения по высоте, что дополнительно усложняет расчёты, поскольку в соответствующих курсах сопротивления материалов и строительной механики рассматриваются, как правило, расчёты элементов с постоянным поперечным сечением, или как максимум, с простейшим изменением характеристик сечения.

Наибольшие напряжения от собственного веса в поперечных сечениях ствола шахты возникают при окончании возведения сооружения. В диссертации в качестве примера рассмотрены расчёты шахтного водосброса гидроузла Джедра в АНДР с высотой ствола 35м по внешнему контуру. Максимальные сжимающие напряжения составили ов.ма1СС.=64.6Тс/м2.

Под действием внешних гидростатических нагрузок в продольных сечениях стенок ствола появляются сжимающие "котельные" напряжения, прямо пропорциональные диаметру ствола, глубине погружения сечения и обратно пропорциональные толщине стенок. Расчёты показали, что в нижнем сечении водоприёмной воронки котельные напряжения достигают <ткот вор .=65.2Тс/м2, а в основании ствола окотсга =62.2Тс/м2.

Ветровые нагрузки могут быть опасны для шахтных водосбросов башенного типа в период их возведения, или на гидроузлах ирригационного назначения, когда возможна полная сработка водохранилища. В соответствии с СНиП

2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия", ветровая нагрузка состоит из статического и динамического воздействия. Статическое воздействие определяется расчётным значением скорости ветра. Для определения динамического воздействия необходимо сопоставить частотные характеристики ветра с частотными характеристиками ствола шахты. Частота собственных колебаний ствола шахты переменного сечения может быть определена по зависимости:

где Я - коэффициент номера тона колебаний, Ь высота ствола, Е - момент инерции сечения в основании ствола, коэффициенты ц, а, $ и г определяются по справочникам и зависят от характера изменения эпюры жесткости сечения Е1. В результате расчётов установлено, что для шахты высотой 35м при скорости ветра 1Г=35м/с, напряжения от изгибающего момента не превосходят величины 0«трГ ЗТС/М2.

Схема расчёта волнового воздействия на ствол шахты зависит от соотношения между диаметром его ствола В и длиной волны Я„. При £)/ Я„^ 0.4, волновое воздействие следует рассчитывать как на одиночную сваю. Отличие ствола шахты от сваи заключается в том, что её верх (гребень водоприёмной воронки) находится не выше уровня воды в водохранилище, и при ветровом воздействии волна будет проскакивать над стволом шахты. Однако, на гидроузлах мелиоративного и водохозяйственного назначения возможна полная сработка водохранилища. В этом случае шахта будет воспринимать полное волновое воздействие. В качестве расчётных рассмотрены две схемы: воздействие волн при УВБ=НПУ и при таком положении УВБ, при котором накат волны на ствол шахты достигнет максимальной высоты. Расчёты показали, что максимальная волновая нагрузка будет при пониженном уровне верхнего бьефа При этом расчётном случае нормальные напряжения в основании ствола шахты достигнут 0"люи!.волн.=17.3Тс/м2, касательные напряжения глшкс.ВОлн=3.1 Тс/м2 , а котельные напряжения амакхг:т =52.3Тс/м2.

При сейсмическом воздействии необходимо учитывать влияние присоединённых масс воды тв, которые снижают частоту колебания сооружения. Этот

коэффициент рассчитывается по зависимости = + тв/ т6 . Для рассматриваемого примера расчёта шахты гидроузла Джедра к^ = 1.483. Для определения сейсмического воздействия в качестве расчётной принята акселеграмма, приведенная в руководстве по учёту сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений 1977г. В соответствии с СП 14.13330.2011. горизонтальную инерционную нагрузку Sik следует определять по формуле:

где <2к - вес элемента, отнесённого к точке к сооружения с учётом присоединённых масс воды; Ко, Кь А, # и Ку - коэффициенты, определяемые по СП

(16)

8л=12к-Кв-К1-А.Кл-0гК¥.,1л

(17)

14.13330.2011. а //,,*- коэффициент. зависящий от формы деформации сооружения при его собственных колебаниях по ¡-ой форме, определяемый "как.

п

г}1]к=Х^хк) 2 б/А / Ц)1 Я А (xj) Упругие линейные и угловые перемещения

сечений стержня определяются из дифференциального уравнения упругой оси у"=М/(Е1г). Для решения этого уравнения была построена зависимость изменения величины 1/4 обратной моменту инерции, по высоте шахты, которая приведена на рис. 23.

У1" ,00711 1 + 0.138

\

/

\

/ N

/ V N

/

/

/

/

/

/ 1000/ 3.000000)21« 0,00 005417Г>- 3.0027782 ♦ С .070871» 0.909871 +5.17

* ✓

15

20

25

-Верхний участок ствола

Расстояние от гребня водоприемной воронки, м --- Нижний участок ствола -Аппроксимация

Рис.23.

Изменение величины 1000/7 по высоте

ствола шахты гидроузла Джедра.

Там же показана аппроксимация этой кривой: начальный участок хорошо описывается полиномом 3-ей степени, а конечный полиномом 5-й степени. Такая аппроксимация позволяет дважды проинтегрировать уравнение упругой оси, рассчитать коэффициенты г)ф и, в конечном счёте, получить искомые значения изгибающих моментов и напряжений по высоте ствола шахты.

На рис. 24 приведены суммарные нормальные и главные напряжения при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии. Как видно по графикам этого рисунка, напряжения достигают максимальных величин в основании ствола шахты, достигая значений порядка 82 Тс/м2 при основном сочетании нагрузок и 600 Тс/м при сейсмическом воздействии. Используя обжатый профиль ствола шахты, можно уменьшить объём бетона с 4000 м3 до 2000 м2 при уменьшении внешнего диаметра ствола с с 15.0 до 10.2 м. Результаты расчётов нормальных напряжений этих вариантов конструкции ствола шахты гидроузла Джедра,

400 500 600

Напряжение Тс/м овые -сейсмимес

Рис. 24. Сопоставление распределения по высоте ствола шахты суммарных нормальных и главных напряжений при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии

с учётом сейсмического воздействия интенсивностью 9 баллов, приведены на рис. 25.

г

1

1

\ 1

\ [

\ 1

1

р

г

ч р.

V4

V &

\

%

\ \ 41

\ \

\ к 1

\ 4 „X [

\ ч"1 х [

X р

\ V

к

\ \ ч

\

\ г

\ IX г

N

\

ч

\ N 4

х . 1 1

250 500

- [4=7,5 т К=г2+0.7Бш

- К=г2+0.50т

- Бетон В22.5 [Нсяй=1000Тс/кв.м Бетон В27.5 [Нсж]»1208Тс/кв.м Бетон В35 ГНсж]=1500Тс/ке.м

- Бетон В20 [Р*р]=71Тс/кв.м

1000 1250 1500 1750 Напряжение, Тс/м2

- 13=6,072т.

- Р=г2+0,60ш

-Бетон В20 !Ксж]=В75 Тс/кв.м Бетон В25 [|Чсж]=1250Тс/кв.м Бетон ВЗО [Рсж1=13 ЗЗТс/кв.м -Бетон В40 [Рсж1=170еТс/кв.м •Бетон В45 [р1р]=10еТс/кв.м

Рис. 25. Распределение максимальных нормальных напряжений по высоте шахты (7=/(г) гидроузла Джедра в зависимости от толщины стен

1ам лее приведены значения допустимых напряжений на сжатие для бетонов классов В22.5...В40. Графики этого рисунка позволили установить, что при использовании бетона класса ВЗО, шахту водосброса можно было бы выполнить толщиной 1.5 метра по всей высоте, что сэкономило бы 1200куб.м. бетона.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Существующие методы расчёта шахтных водосбросов позволяют запроектировать конструкции, существенно отличающиеся по параметрам для одних и тех же исходных данных. При этом отсутствуют рекомендации по расчёту наружной поверхности шахтных водосбросов башенного типа.

2. Несмотря на то, что очертаниям водосливной поверхности воронки шахтных водосливов придаётся безвакуумный профиль, при профилирующем напоре образуется вакуум, который может достигать величины от 0.6 до 0.33 от расчётного напора в зависимости от профиля воронки.

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

4. Разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, позволяющая выполнять сливные поверхности в виде единой поверхности без переломов в направлении движения воды, что позволяет выполнить её с применением простейших средств производства работ.

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

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

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

8. Проведены комплексные модельные гидравлические исследования работы шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с модификациями водоприёмной воронки, наиболее часто встречающимися в практике гидротехнического строительства, работающего с безнапорным и напорным режимом работы водопроводящего тракта. Установлено, что коэффициент расхода водоприёмной воронки с вакуумным профилем увеличивается с увеличением напора на её гребне. При этом кривая изменения коэффициента расхода имеет два участка: крутовосходящий до величины относительного напора Н/Нрасч =0.65 и более пологий при больших напорах.

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

10. Полученные расчётные зависимости для определения пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения могут быть использованы при проектировании сооружений III и IV-ro классов и на предварительных стадиях проектирования сооружений I и 11-го классов.

11. Расчёты оценки опасности возникновения кавитации на сливной поверхности шахты по экспериментальным данным о распределении осреднённо-го гидродинамического давления показали её отсутствие во всём диапазоне режимов работы шахтного водосброса полигонального поперечного сечения.

12. Распределение гидродинамического давления идентично на трапецеидальных и на треугольных гранях сливной поверхности шахты полигонального поперечного сечения.

13. Максимальный вакуум достигает величины 0.78Я напора на гребне водоприёмной воронки при относительном напоре Н/г=ЪЛ, что соответствует максимальному напору для неподтопленного режима работы водоприёмной воронки. С учётом фактической максимальной величины вакуума, вакуумные оголовки водоприёмных воронок на шахтных водосбросах можно применять при напорах на гребне оголовка до 4.8-и метров.

14. Получены теоретические расчётные зависимости для определения распределения по глубине потока осреднённого гидродинамического давления и скоростей в сопрягающем колене с безнапорным режимом течения. Сопоставление расчётных данных о распределении осреднённого гидродинамического давления на криволинейную грань сопрягающего колена показало хорошее соответствие с данными экспериментов в широком диапазоне относительных параметров потока.

15. Используемые при гидравлических расчётах шахтных водосбросов зависимости для определения потерь энергии в сопрягающих коленах прямоугольного поперечного сечения при напорном режиме работы дают завышенные

в 1.5.. 2 значения при Roc/h= 2..2.S и заниженные в 2.. 2.5 раза значения при Roc /И=3.5.А. Доля потерь энергии, связанная с деформацией потока в сопрягающем колене шахтного водосброса находится в пределах 16.5.. 19% от потерь по длине. Учитывая эти результаты наших исследований, общие потери энергии в сопрягающем колене при напорном режиме работы можно принимать равными потерям по длине колена, увеличенным на 20%.

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

17. В районах строительства, в которых не предусматриваются расчёты сооружений на сейсмическое воздействие, основной нагрузкой шахтных водосбросов башенного типа является его собственный вес, который и определяет напряжённое состояние бетона. В районах строительства, в которых предусматриваются расчёты сооружений на сейсмическое воздействие, основными нагрузками шахтных водосбросов башенного типа являются инерционные нагрузки его собственного веса и нагрузки от присоединённых масс воды. В приведен-

ном примере расчёта нормальные напряжения от собственного веса составляют менее 11% результирующих нормальных напряжений.

18. При строительстве шахтного водосброса в зонах, не подверженных сейсмическому воздействию, несущая способность материала бетона используется на 10... 15%, а при строительстве в сейсмических районах несущая способность материала бетона полностью используется лишь в нижней части шахты в зоне максимальных напряжений. При этом имеется возможность применения зонирования укладки бетона, позволяющая максимально повысить экономические характеристики шахтного водосброса.

Основное содержание тематики, рассмотренной в диссертации, опубликовано в 29 печатных работах

1. Гурьев А.П. О распределении скоростей по глубине потока при наличии сил инерции в вертикальной плоскости/А.П. Гурьев//. Экспресс-информация ЦНТБИ. - 1969-серия 7- вып. 4,

2. Гурьев А. Пропускная способность водосбросов гидроэлектростанций/ B.C. Серков, А.С Воробьёв, А.П. Гурьев, Л.Н. Байчиков. //М. - "Энергия" -1974- 119 с.

3. Гурьев А.П. Влияние сил инерции на распределение скоростей и давлений по глубине потока/А.П. Гурьев//. Сборник научных трудов "Вопросы гидравлики", Московский гидромелиоративный институт - 1970 - вып. 2.

4. Гурьев А.П. Совершенствование методов расчета шахтных водосбросов/ А.П. Гурьев, А..А. Камзолкин //Тезисы докладов научно-технической конференции МГУП - 2001.

5. Гурьев А.П. Гидравлические исследования ковша водосброса гидроузла Ренем/ А.П. Гурьев Э.С. Беглярова., С.А. Соколова // Отчёт о научно-исследовательской работе - Гос. регистрация № 01.20 021597 - 62002 - НИЧ МГУП

6. Гурьев А.П. Научное обоснование проектных решений шахтного водосброса гидроузла Джедра/А.П. Гурьев//. Отчёт о научно-исследовательской работе- Гос. регистрация №01.20.03 15976 - 2003-НиЧ МГУП

7. Гурьев А.П., Соколова С.А. Шахтный водосброс полигонального очертания в плане. Вопросы мелиорации, №5-6, 2003,, С. 26-36

8. Гурьев А.П. Пропускная способность шахтного водосброса полигонального очертания в плане / А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова, С.А. Соколова// ФГНУ ЦЬГШ «Мелиоводинформ» - Вопросы мелиорации. - 2004- №5-6 - С 3137.

9. Гурьев А.П. Шахтный водосброс башенного типа полигонального поперечного сечения/ А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова, С.А. Соколова// Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России -Сборник научных трудов. - 2004 - МГУП- С. 225-232..

10. Гурьев А.П. Определение глубин в сечениях перегибов водоводов А.П. Гурьев, Э.С. Беглярова, С.А. Соколова, А.М. Бакштанин// Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России. - Сборник научных трудов. - 2005 - МГУП -часть 1.

11. Гурьев А.П., Определение давлений потока на проточный тракт шахтного водосброса полигонального очертания в плане/С.А. Соколова// Природообустройство и рациональное природопользования - необходимые условия социально

- экономического развития Росси. - Сборник научных трудов. - 2005 - МГУП -часть 1.

12. Гурьев А.П. Гидравлическое обоснование конструкции поверхностного водосброса №2 Богучанского гидроузла на р. Ангара /А.П. Гурьев, А.Н. Волын-чиков, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов //Приволжский научный журнал

- 2008 - №4 март - Нижний Новгород.

13. Гурьев А.П. Исследования пропускной способности водосброса №2 Бо-гучанской при свободном переливе через его гребень А.П. Гурьев, И. С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов// Приволжский научный журнал - 2009 - №2.

Список работ по теме диссертации, опубликованных в журналах ВАК РФ.

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

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

16. Гурьев А.П. Распределение давлений на сливной поверхности шахтного водосброса полигонального очертания в плане/А.П. Гурьев, Э.С Беглярова, С.А. Соколова А.М. Бакпгганин // Проблемы экологической безопасности и природопользования. Ред. д.т.н., проф. В.Н. Пряхин- М.: «Норма» МАЭБП -2005. - Вып. 6. - Т. 1. - С. 176-178.

17. Гурьев А.П. Определение кинематических характеристик безнапорного потока на сопрягающем колене шахтных водосбросов/ А.П. Гурьев, Р.А Хай-руллин// Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» - 2006- МГУП,

18. Гурьев А.П. Модельные гидравлические исследования водосброса №2 Богучанской ГЭС с отбросом струи с длинными разделительными стенками/ А.П. Гурьев, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов// Приволжский научный журнал. - 2009. - №1 - С.57-65.

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

20. Гурьев А.П. Гидравлическое обоснование конструкции концевого устройства поверхностного водосброса №2 Богучанской ГЭС/ А.Н. Волынчиков А.П. Гурьев, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов.// Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. -№1.С. 40-42

21. Гурьев А.П/, Козлов В.Д, Ханов Н.В, Волынчиков А.Н. Выбор конструкции концевого устройства поверхностного водосброса Богучанской ГЭС/ А.П. Гурьев, В.Д. Козлов, Н.В. Ханов, А.Н. Волынчиков // Гидротехническое строительство. - 2009. - №3 - С. 10-15.

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

23. Гурьев А.П., Румянцев И.С. Козлов Д.В., Ханов Н.В. Модельные гидравлические исследования водосброса №2 Богучанской ГЭС с отбросом струи с укороченными разделительными стенками. Приволжский научный жупнал -

2009-№3. С. 21-28. 3V '

24. Гурьев А.П., Румянцев И.С. Козлов Д.В., Ханов Н.В. Основные результаты физического моделирования водосброса №2 Богучанского гидроузла/ А.П. Гурьев, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов// Вестник отделения строительных наук РААСН Орёл РАУ. - 2009. - выпуск 13 - том 2 - С 160169.

25. Гурьев А.П., Модельные гидравлические исследования водосброса №2 Богучанской ГЭС с отбросом струи с укороченными разделительными стенками и ступенчатым трамплином в первом пролёте/ А.П. Гурьев, И.С. Румянцев, Д.В. Козлов, Н.В. Ханов, A.C. Елистратов// Приволжский научный журнал -

2010-№3,-С. 68-72.

26. Гурьев А.П. Расчёт водосливов с переменной шириной пролёта в плане/ В.Д. Козлов, Н.В. Ханов, К.С. Ершов // Природообустройсгво - М - 2010 - .№3 - С 47-50

27. Гурьев А.П. Определение параметров ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения башенного типа при сейсмическом воздействии/ А.П. Гурьев// Природообустройство. - М. 2010 - №4 - С. 42-50

28. Гурьев А.П., Ханов Н.В., Ершов К.С. Влияние планового расширения водослива с горизонтальной вставкой на его пропускную способность. /АЛ.Гурьев, Н.В. Ханов, К.С Ершов.// Природообустройство - М. 2010 №5 -С. 42-46.

29. Гурьев А.П. Определение кинематических характеристик безнапорного потока в вертикально расположенных сопрягающих коленах/ А.П. Гурьев P.A. Хайруллин// Природообустройство. - М. 2013 - №1. - С. 42-50.

Патенты РФ

30. Гурьев А.П. Шахтный водосброс. Патент №2250951 РФ на изобретение/. А.Ю. Афанасьев // Бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. Образцы. Товарные

знаки" 2004. -№ 12

31. Гурьев А.П. Шахтный водосброс. Патент №2341615 РФ на изобретение/ А.П. Гурьев// Бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. Образцы. Товарные знаки" 2008. №35

Автореферат

ГУРЬЕВ Алим Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ РЕЧНЫХ ГИДЮУЗЛОВ

Тираж 100 экз. Заказ № 463

Отпечатано в лаборатории множительной техники МГУП

На правах рукописи

ГУРЬЕВ Алим Петрович

05201450501

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И РАСЧЁТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальности:

05.23.07 - Гидротехническое строительство 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

МОСКВА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА I. ШАХТНЫЙ ВОДОСБРОС КАК ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ............... 18

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСЧЁТА ШАХТНЫХ 24 ВОДОСБРОСОВ.............................................................................

2.1. Профиль проточного тракта шахтного водосброса...................... 24

2.1.1. Водоприёмная воронка......................................................... 24

2.1.1.1. Анализ параметров свободнопадающих плоских потоков.............. 24

2.1.1.2. Очертание профиля сливной поверхности водоприёмной воронки... 33

2.1.2. Конструкция ствола шахты.................................................... 39

2.1.3. Конструкция сопрягающего колена.......................................... 42

2.1.4. Существующие технические решения по назначению толщины

стен шахты........................................................................ 47

2.2. Анализ существующих технических решений проектирования и расчёта шахтных водосбросов................................................ 49

2.2.1. Оценка величины допустимого вакуума на оголовке водоприёмной воронки............................................................................ 50

2.2.2. Очертание водосливной поверхности водоприёмной воронки и

ствола шахты..................................................................... 52

2.2.3. Конструкция сопрягающего колена шахты................................ 55

2.3. Гидравлические расчёты шахтных водосбросов.......................... 58

2.3.1. Существующая методика расчёта пропускной способности водоприёмной воронки шахтных водосбросов............................ 58

2.3.1.1. Пропускная способность водоприёмной воронки с острой кромкой 60

2.3.1.2. Пропускная способность водоприёмной воронки с безвакуумным профилем.......................................................................... 62

2.3.1.3 Определение величины масштабной поправки при вычислении

коэффициента расхода водоприёмной воронки.......................... 70

2.3.2. Существующие методики расчёта пропускной способности

шахтных водосбросов в напорном режиме................................ 73

2.3.2.1. Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном

режиме всего водопроводящего тракта.................................... 75

2.3.2.2. Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном режиме ствола шахты и сопрягающего колена...................................... 77

2.3.2.3. Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном

режиме только ствола шахты..................................................................................................81

2.3.3. Гидравлические расчёты сопрягающего колена шахтного

водосброса................................................................................................................................................91

2.4. Распределение давления на сливной поверхности шахтного водосброса..................................................................................................................................................101

2.5. Вопросы аэрации потока в шахте........................................................................................109

2.6. Выводы по главе 2..............................................................................................................................111

ГЛАВА 3. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УСТРАНЕНИЮ ВЫЯВЛЕННЫХ

НЕДОСТАТКОВ КОНСТРУКЦИЙ ШАХТНЫХ ВОДОСБРОСОВ..............................113

3.1. Конструктивные решения............................................................................................................113

3.1.1. Очертание в плане шахты полигонального поперечного сечения..........115

3.1.2. Определение параметров образующих поверхностей сливных

граней шахты..........................................................................................................................................123

3.1.3. Определение размеров поперечных сечений шахты..........................................125

3.1.4. Определение параметров образующих поверхностей внешних

граней шахты..........................................................................................................................................129

3.1.5. Влияние вакуума в под струйном пространстве на параметры

нижней поверхности струи в шахте....................................................................................131

3.1.6. Определение параметров сопрягающего колена шахты..................................133

3.2. Модельные гидравлические исследования шахтного водосброса полигонального поперечного сечения..............................................................................135

3.2.1. Методика модельных гидравлических исследований......................................135

3.2.2. Экспериментальная установка................................................................................................141

3.2.3. Модельная установка......................................................................................................................143

3.2.4. Контрольно-измерительная аппаратура........................................................................146

3.2.5. Оценка точности результатов модельных гидравлических исследований..........................................................................................................................................149

3.2.5.1. Оценка точности измерения расходов............................................................................149

3.2.5.2. Точность определения давления..........................................................................................153

3.2.5.3. Точность определения местной скорости потока..................................................154

3.2.5.4. Точность определения расхода по измерениям скорости..............................154

3.2.6. Состав исследований 155

3.3. Выводы по главе 3............................................................................................................................159

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВИЗУАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

РАБОТЫ ШАХТНОГО ВОДОСБРОСА ПОЛИГОНАЛЬНОГО

ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ............................................................... 160

4.1. Режим безнапорной работы всего проточного тракта.................. 160

4.2. Режим с заполненным стволом шахтного водосброса.................. 165

4.3. Режим с затопленной водоприёмной воронкой.......................... 167

4.4. Выводы по главе 4............................................................. 176

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ШАХТНОГО ВОДОСБРОСА ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ................................. 178

5.1. Теоретический анализ пропускной способности шахтного водосброса....................................................................... 178

5.2. Пропускная способность шахтного водосброса полигонального поперечного сечения.......................................................... 186

5.3. Анализ результатов экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с неподтопленным режимом работы водоприёмной воронки........................................................ 190

5.3.1. Водоприёмная воронка со свободным входом........................... 192

5.3.2. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа........ 199

5.3.3. Водоприёмная воронка с бычком со стороны нижнего бьефа........ 202

5.3.4. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа и укороченным участком нижнего бьефа.................................... 205

5.3.5. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа и

тонкой стенкой со стороны нижнего бьефа.............................. 209

5.3.6. Определение величины коэффициента расхода при малых

напорах........................................................................... 213

5.4. Порядок расчёта пропускной способности шахтного водосброса

при безнапорном режиме работы водоприёмной воронки............ 224

5.5. Работа шахтного водосброса полигонального поперечного

сечения с затопленной водоприёмной воронкой........................ 225

5.5.1. Определение границы режима работы шахтного водосброса с неподтопленной водоприёмной воронкой................................. 225

5.5.2. Определение коэффициента сжатия потока £........................... 234

5.5.3. Определение коэффициента скорости потока ф........................ 239

5.5.3.1. Определение коэффициента Кориолиса кинетической

энергии« ....................................................................... 239

5.5.3.2. Анализ результатов расчётов величины коэффициента

Кориолиса........................................................................ 245

5.5.3.3. Определение коэффициента потерь по длине ствола шахты......... 247

5.5.3.4. Определение коэффициентов местных сопротивлений................ 249

5.5.3.5. Анализ результатов вычисления коэффициентов сопротивлений шахтного водосброса полигонального поперечного сечения......... 251

5.5.4. Распределение давления по высоте выходного сечения конфузора по результатам экспериментального изучения работы шахтного водосброса в напорном режиме............................................. 254

5.5.5. Сопоставление экспериментальных и расчётных значений коэффициента расхода шахтного водосброса полигонального поперечного сечения при напорном режиме работы ствола шахты. 257

5.6. Выводы по главе 5.............................................................. 260

ГЛАВА 6. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ В ПРОТОЧНОМ ТРАКТЕ ШАХТЫ............................................................................ 262

6.1. Общая картина распределения давления в проточном тракте шахтного водосброса полигонального поперечного сечения......... 264

6.2. Изучение распределения давления на сливные поверхности ствола шахты............................................................................. 266

6.3. Распределение давлений на оголовке водоприёмной воронки шахты............................................................................. 270

6.4. Анализ распределения давлений по высоте ствола

шахты............................................................................. 273

6.5. Оценка возможности кавитационной эрозии водосливной поверхности водосброса...................................................... 275

6.6. Изучение распределения давлений на стыке сливных граней........ 282

6.7. Рекомендации по назначению коэффициента расхода шахтного водосброса с 8-и и 4-хгранным поперечным сечением................ 284

6.8 Выводы по главе 6............................................................. 287

ГЛАВА 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В СОПРЯГАЮЩЕМ 289 КОЛЕНЕ ШАХТНОГО ВОДОСБРОСА................................................

7.1 Теоретическое определение кинематического давления потока на

вогнутую поверхность сопрягающего колена........................... 291

7.2. Определение кривизны свободной поверхности безнапорного

потока в сопрягающем колене шахтного водосброса.................. 297

7.3. Результаты обработки данных экспериментов по определению кривизны свободной поверхности.......................................... 302

7.4. Сопоставление теоретических расчётов и результатов экспериментальных исследований кинематических характеристик потока в безнапорном сопрягающем колене

шахтного водосброса.......................................................... 306

7.4.1.. Гидродинамическое давление на дно сопрягающего колена......... 307

7.4.2. Распределение скоростей по глубине потока............................ 309

7.4.3. Распределение давлений по глубине потока............................. 312

7.5. Выводы по результатам определения параметров потока в сопрягающем колене и рекомендации.................................... 314

7.6. Определение потерь энергии в сопрягающем колене шахтных водосбросов..................................................................... 315

7.6.1. Методика определения потерь энергии в сопрягающем колене шахтного водосброса.......................................................... 316

7.6.2. Результаты исследования работы сопрягающего колена при безнапорном режиме работы............................................... 319

7.6.3. Выводы и рекомендации определение потерь энергии в сопрягающем колене шахтных водосбросов при безнапорном

режиме........................................................................... 325

7.7. Результаты исследования работы сопрягающего колена при напорном режиме работы..................................................... 326

7.8. Выводы по главе 7............................................................. 330

ГЛАВА 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТВОЛА ШАХТНОГО ВОДОСБРОСА ПОЛИГОНАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ БАШЕННОГО ТИПА....................................................................... 331

8.1. Задачи расчётов............................................................... 331

8.2. Определение нагрузок от собственного веса конструкции........... 335

8.3. Расчёт воздействия внешних гидростатических нагрузок............ 337

8.4. Расчёт ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса 339

8.4.1. Расчёт средней составляющей ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса........................................................ 339

8.4.2. Определение частоты собственных колебаний ствола шахтного водосброса...................................................................... 342

8.4.3. Расчёт пульсационной составляющей ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса......................................................... 344

8.4.4. Расчёт распределения ветрового давления на ствол шахтного водосброса...................................................................... 346

8.5. Расчёт волновой нагрузки на ствол шахтного водосброса........... 349

8.6. Расчёты ствола шахтного водосброса башенного типа на сейсмические воздействия.................................................. 354

8.7. Анализ результатов расчёта напряжений в стволе шахты............ 368

8.8. Определение оптимальных очертаний ствола шахты................. 371

8.9. Выводы по главе 8............................................................ 375

Основные общие выводы.................................................... 377

Список литературы........................................................................... 380

Приложения

Примеры некоторых построенных и запроектированных шахтных водосбросов............................................................................... 393

2 Копия патента на изобретение РФ "2250951 "Шахтный водосброс"...... 399

3 Копия патента на изобретение Р.Ф. №234615 "Шахтный водосброс".... 406

4 Справка о внедрении ЗАО "Совитервод"......................................... 415

5 Справка о внедрении ОАО "Зарубежводсртой"................................ 417

Динамика изменения картины движения воды шахте полигонального 418

6

поперечного сечения................................................................

Эпюры избыточного осреднённого гидродинамического давления на

развертках образующих............................................................. 421

Эпюры относительного давления по высоте развертки образующей сливной 423

8

поверхности ............................................................................

Эпюры давлений в долях напора на гребне водоприёмной воронки р/Н 9 с быком со стороны верхнего бьефа при высоте выходного сечения

конфузора а=5.0м..................................................................... 425

Распределение давления на вогнутой поверхности сопрягающего колена шахтного водосброса при высоте выходного сечения конфузора...... 427

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В течение 1997-2005 гг. автор настоящей работы запроектировал на стадии ТЭО 22 шахтных водосброса в качестве альтернативных вариантов водосбросных сооружений гидроузлов. В состав этих гидроузлов входили шахтные водосбросы: берегового типа, полностью выполненные в виде туннелей в скальной породе; частично расположенные в скале с водоприёмной воронкой в пределах водохранилища; башенного типа, полностью размещённые в акватории водохранилища с отводящими водоводами, проложенными под телом плотины каменно-земляного типа либо в виде туннеля. Диапазон напоров на запроектированных гидроузлах, определяемый как разность уровней верхнего и нижнего бьефов в выходном сечении энергогасящего сооружения, составлял от 25 до 60 метров.

По классу сооружений 20 шахтных водосбросов относились к III-у, а два - к 1-у классу. Поверочные расходы сооружений Ш-го класса обеспеченностью Р=0.5% с учётом трансформации паводков водохранилищем достигали 390 куб. м/с, а водосброс 1-го класса были рассчитана на пропуск расчётных расходов 740 и 900 куб м/с обеспеченностью Р=0.01%. Напоры на гребне воронки шахтных водосбросов изменялись в диапазоне от 1.1 м до 3.8 м.

В процессе проектирования пришлось столкнуться с рядом трудностей, обусловленных несовершенством существующих методик расчётов.

Шахтные водосбросы относятся к сооружениям, активно используемым в гидротехническом строительстве уже около 90 лет. Тем не менее, исследованиям их работы посвящено значительно меньше научных трудов, чем другим гидротехническим сооружениям. В довоенные годы были заложены основы теоретических расчётов проточной части шахтных водосбросов трудами А.Н. Ахутина, Т.В. Ивановой, А.И. Севко, H.JI. Ролле. A.M. Бинне, Р.К. Врихта, Ц.С. Кампа, И.В. Хове. В послевоенные годы резко возрос интерес к теоретическим исследованиям шахтного водосброса после появления работы Вагнера, посвященной исследованиям кольцевого водослива с острой кромкой. В СССР появляются работы Н.И. Романько, В.Г. Скряги, C.B. Соколовского, П.П. Мойса,

Г.Н. Мусаева, A.A. Карфиляна, С.П. Лаврентьева, Н.Т. Кавешникова и др. Из зарубежных учёных, изучавших работу шахтных водосбросов следует отметить В.Е. Вагнера, И.Н. Бредли, А.Т. Петер icy, П. Новака, И. Кабелку. История проектирования водосливной поверхности шахтного водосброса повторила историю формирования водосливов практического профиля, сливной поверхности которого придавали форму нижней поверхности струи, формирующейся на водосливе с острой кромкой для получения безвакуумного профиля. При этом следует отметить некоторый консерватизм в практике зарубежного проектирования шахтных водосбросов. До сего времени методика проектирования проточной части ствола шахтных водосбросов основывается на работе Вагнера 1954г.

Методика некоторых аспектов гидравлических расчётов шахтных водосбросов включена в соответствующие "Рекомендации по гидравлическим расчётам" и гидравлические справочники. Тем не менее, до сих пор нет чётко разработанных методик гидравлического расчёта шахтных водосбросов как единого водосбросного сооружения, состоящего из водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена. Более того, существующие работы, посвященные, в основном, гидравлическим расчётам водоприёмной воронки, позволяют запроектировать четыре варианта очертаний её сливной поверхности. Таблицы для расчёта очертаний профиля воронки, приведенные в справочной литературе, дают возможность определить координаты сливной поверхности только воронки на высоте 3...5 расчётных напоров в пределах 6... 10 метров.

Гидравлич