автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Управление потоками за водопропускными сооружениями в составе противопаводковых защитных комплексов

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Алексей Евгеньевич

УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ ЗА ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ В СОСТАВЕ ПРОТИВОПАВОДКОВЫХ ЗАЩИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.23.07- Гидротехническое

и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

С-Петербург 1998 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Д.А.Ивашинцов доктор технических наук, профессор

А.М.Курганов доктор технических наук, профессор М.А.Колосов

Ведущая организация: АО "Ленгидропроект"

Защита состоится 22 декабря 1998 года в 16-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.38.19 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, гидротехнический корпус, ауд.411 пгк.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан 'f5* НО _1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доцент

В.И.Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проектирование креплений дна за водопропускными сооружениями гидроузлов, возводимых на размываемых основаниях всегда предполагает решение сложной многофакторной задачи, учитывающей особенности эксплуатации гидроузла, характер планового формирования течений в нижнем бьефе, грансостав фунтов основания, концевых устройств и т.п., при обеспечении требуемой надежности работы элементов крепления в составе водопропускного тракта и ограничения процесса переформирования русла.

Важной составной частью процесса проектирования является выбор схем управления течениями в акватории нижнего бьефа, предполагающих введение определенных ограничений или создание необходимых условий сопряжения бьефов в границах крепления дна, включая' очередность пропуска расходов через водосливные отверстия, формирование требуемого режима сопряжения, снижение трансформирующего влияния вторичных течений на процесс сопряжения в границах гидравлического прыжка и отдельно - на поспепрыжковом участке.

В настоящее время наименее изученными остаются вопросы управления процессом сопряжения бьефов на послепрыжковом участке, отличающемся низкокинетич-ным (спокойным) характером течения. Для рисберм и концевых устройств, размеры которых могут составлять до 60+75% от всей длины крепления, не существует обоснованных методик определения размеров, особенно с конструктивными элементами для регулирования течениями. Большая протяженность потенциального участка управления и его возможность непосредственно влиять на характер течения и ликвидацию плановой сбойности в границах крепления, позволили нам остановиться на разработке схем, основанных на распределительно-ограничительных воздействиях креплений за счет которых возникает возможность приближения пространственного процесса сопряжения бьефов к плоским условиям, путем регулирования процессом диссипации энергии потока на послепрыжковом участке.

В рамках данной работы вопросы совершенствования способов управления течениями в нижнем бьефе решались на примере водопропускных сооружений в составе защитных гидрокомплексов. возводимых для целей защиты периодически затопляемых территорий и характеризующихся широким диапазоном расчетных схем сопряжения бьефов. Акцент в исследованиях был сделан на разработку эффективных способов управления для спокойных потоков с числами Фруда (Ръ £ 0,56) и спокойных околокритических течений (0,8 2 Ргг > 0,56) с волнистой поверхностью, которые ранее как объект управления в составе крепления не рассматривались.

Целью диссетационной работы является разработка на основе комплексных экспериментальных исследований новых методов управления течениями а нижнем бьефе, основанных на широком использовании в составе креплений • рисбермы и концевых устройств с управляемым процессом диссипации энергии, работающих в переходных режимах сопряжения бьефов, характерных для водопропускных сооружений в

составе регулирующих гидроузлов, включая область применения и методику их гидравлического расчета с учетом изменяющейся кинематики потока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор типов, конструктивных схем и параметров водопропускных сооружений, применяемых в составе противопаводковых защитных комплексов.

2. Оценка состояния вопроса пространственного сопряжения бьефов за водопропускными сооружениями низконапорных гидроузлов.

3. Разработка основных положений теории управления течениями в нижнем бьефе водопропускных сооружений.

4. Постановка проблемы управления течениями на послепрыжковом участке крепления и пути ее решения на примере гладкой рисбермы с уступом дна. Выбор базовой конструкции.

5. Создание кинематической модели сопряжения бьефов на участке крепления с управляемым процессом диссипации энергии (базовая конструкция) и составление уравнения сопряжения бьефов.

6. Систематизация результатов исследований по оценке регулирующих возможностей базовой конструкции рисбермы с направляющими продольными элементами, выполненными для случая околокритического режима (0,56 2 Рг2 £ 0,80) сопряжения бьефов.

7. Составление классификации конструктивных схем и элементов управления течениями для плотин с напором Н <25м.

8. Составление алгоритма расчета основных размеров креплений дна для различных (разносложных) схем управления.

Методы исследований. Сложность и новизна решаемых проблем потребовали проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, выполняемых как на недеформируемых (жестких), так и на размываемых гидравлических моделях водопропускных сооружений. Акцент в экспериментальной части исследований был сделан на изучение работы участка рисбермы и концевого устройства, как на наиболее ответственной части крепления дна, позволяющей наиболее полно учитывать возможности планового управления течениями в условиях работы многопролетных водопропускных сооружений при формировании переходных режимов околокритического характера, дающей возможность в итоге уменьшить или избежать размывы в концевой части крепления. В теоретической части исследований и при выводе расчетных зависимостей использовались методы гидромеханики и волновой теории, экспериментальные данные других авторов.

Научная новизна. В диссертации разработаны, научно обоснованы и подтверждены результатами исследований методы проектирования и расчета элементов крепления дна на послепрыжковом участке, включая элементы конструкции крепления с управляемым процессом диссипации энергии, разработанные автором. При этом:

1. Определены характерные типы конструкций регулирующих водопропускных сооружений в составе защитных комплексов и особенности их эксплуатации.

2. Разработаны основные положения концепции управления течениями в нижнем бьефе, рассматривающих схемы сопряжения на участке крепления как поэтапный многоступенный процесс, возможность их применения в условиях формирования форм течений околокритического характера.

Оценена регулирующая способность прямого уступа дна в составе крепления рисбермы на послепрыжковом участке.

3. Впервые получены экспериментальные данные по регулирующим возможностям креплений дна (рисберм, концевых устройств) при наличии продольных направляющих элементов, располагаемых на заглубленной части за уступом дна (базовая конструкция).

4. Для схем крепления с управляемым процессом диссипации энергии выявлены основные составляющие управления по величинам сопротивлений (общих и местных). На основании решения уравнения пространственного сопряжения бьефов определены их величины, дана градация схем крепления по их регулирующим особенностям.

5. Составлена классификация элементов крепления дна, основанная на концепции различных схем управления. В ее состав впервые включены группы креплений, из концевых устройств и рисберм, позволяющие наиболее эффективно управлять потоком создавая лучшие, чем прежде, условия сопряжения бьефов.

6. Впервые предожен принцип оценки расчетного режима сопряжения в нижнем бьефа на послепрыжковом участке, с учетом характера плановой сбойности, сопровождающейся ростом величин удельных расходов (К, >1).

7. Разработаны методики гидравлического расчета размеров креплений дна в составе 2-х и 3-х ступенных схем управления течениями с учетом их регулирующих возможностей на всех участках крепления, включая рисберму и концевое устройство.

На защиту выносятся:

1) Основные положения разработанной автором теории многоступенных схем управления течениями в нижнем бьефе,

2) Закономерности формирования течений на послепрыжковом участке крепления в пространственных условиях сопряжения.

3) Результаты экспериментальных исследований схем креплений с управляемым процессом диссипации, включая базовую конструкцию крепления дна с продольными направляющими элементами.

4) Результаты анализа закономерностей преобразования потока вдоль направляющих элементов'в границах базовой конструкции крепления дна на участке с развитым пограничным слоем, в расчетном околокритическом режиме сопряжения бьефов (0,5 5 Рг2 5 0,85).

5) Результаты решения уравнения сопряжения бьефов (базовая конструкция крепления) для участка крепления с управляемым процессом диссипации энергии.

6) Разработанная автором классификация схем крепления дна с поэтапным уровнем планирования входящих в их состав элементов.

7) Методика расчета креплений дна за водопропускными сооружениями по регулирующей способности, входящих в их состав элементов.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены на современных испытательных стендах отечественных гидравлических и гидротехнических лабораторий по современным методикам, с использованием протарированных приборов, средств измерений и обработки. Оценка погрешности прямых и косвенных измерений лежащие в пределах 3+6% позволяет сделать заключение о достоверности полученных результатов.

Практическое использование полученных результатов. Работа выполнена в рамках решения Общесоюзной научно-технической программы ГКНТ 055.08 в период 1986-91 гг. и межвузовской научно-технической программы "Строительство" по направлению "Методика проектирования водосбросных сооружений с учетом концентрации расходов при неравномерном сбросе" в 1992-93 гг.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований базовой конструкции крепления дна были использованы:

- АО Ленгидропроект при разработке конструкции концевого устройства в составе водосброса Кривопорожской ГЭС на р.Кемь;

совместно с ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева для оценки работы креплений аварийного незакрытия затворов в составе водопропускных сооружений комплекса защиты Ленинграда от наводнений:

АО Ленгидропроект при разработке проекта крепления дна со стороны

Невской губы за водопропускным сооружением В-2,

• организацией "Ленморзащита" при сооружении крепления за водопропускным сооружением наплавного исполнения В-2.

Широкое использование разработанных в диссертации методов проектирования конструкций крепления дна за низконапорными водопропускными сооружениями позволяет повысить надежность работы вновь строящихся и реконструируемых ГУ и ГЭС, что, в свою очередь будет способствовать реализации Основных положений Программы развития гидроэнергетики России в 1997-2015 гт. с перспективой до 2030 года.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Перспективы развития для электрических станций и энергетических систем", Ленинград, 1987, Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", С-Петербург, 1995, на конференции Ассоциации технических университетов России "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПбГТУ, 1997, на межвузовских научно-технических конференциях ЛТИ ЦБП в 1985-90 гг., на лабораторных Советах ВНИИГ им.Б.Е.Веде'неева в 1985-92 гг. и научных семинарах в СПбГТУ в 1983-98 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, перечень основных публикаций приведен в заключительном разделе автореферата.

Отдельные результаты диссертационной работы положены в основу трех изоб-

! с гений, защищенных авторскими'свидетельствами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, в глав, основных выводов, библиографии, включающей 207 наименований и в приложений. Основное содержание диссертации изложено на 355 страницах, включая 64 рисунка и 11 таблиц; вспомогательные материалы даны на 47 страницах приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы. Отмечено, что существующие методы управления потоками в нижнем бьефе водопро-чускных сооружений мало пригодны для условий эксплуатации ГУ в составе защитных •идрокомплексов, отличающихся возможностью формирования переходных во времени режимов сопряжения. Это обстоятельство предполагает необходимость рассмотрения новых, более совершенных схем управления и конструкций крепления дна с управляемым процессом диссипации энергии.

Глава 1 содержит общие положения концепции формирования многоярусных (веерных) защитных комплексов, обзор конструктивных решений водопропускных сооружений а составе регулирующих ГУ, границы параметров эксплуатации водопро-1ускных сооружений, которые составили по перепаду: 3+5 м & г £ 20+25 м; удельному госходу 10м3/пог.м£р 550 м3/пог.м.

Отмечается, что применение рзссосредоточенной (веерной) схемы аккумуляции гаводков позволяет уменьшить объемы базовых водохранилищ, возводимых на эсновном водотоке, за счет перераспределения объемов аккумуляции в пользу периферийных гидроузлов.

На примере перспективного для строительства защитных комплексов - Амуро-Зве-бурэинского междуречья деется анализ характеристик района, подверженного па-юдквм мусеонною происхождения и анализируется возможность строительства наи-5олее перспективных для данного региона • ГУ е временным характером наполнения зодохранилищ (ППГУ),

Отмечается, что для ППГУ с временным характером наполнения возникает необходимость введения изменяемых во времени параметров эксплуатации по величине 1врепада (г), удельного расхода (я), глубине е нижнем бьефе (Иг,> / Ьк), Это обстоятельство вызывает необходимость рассматривать работу креплений дна в переходных эежимах сопряжения, часто околокритического характера (0,8 £ Рг3 % 0,85), что накладывает соответствующие дополнительные требования на регулирующие возможности фвплений, в том числе иа послепрыжковом участке..

Во втдрой шве дается анализ регулирующих возможностей кременй дна за низконапорными водопропускными сооружениями, Отмечается, что в условиях щиро-«го применения регулирующих ГУ следует ограничивать возможность образования местных размывов! которые должны рассматриваться как дополнительный фактор »ффективности управления а нижнем бьефе,

Анализ исследований в области изучения гидравлического прыжка, в том число в пространственных условиях при неполном использовании ширины водосливного фронта (ß < 1), показывает, что существуют 2 основных направления:

* изучение гидравлического прыжка как явления на гладком дне в работах By Ван Тао, Гунько Ф.Г., Константинова И.М., Кузьмина С.А., Леви И.И., Михалева М.А., Куми-на Д.И., Николаенко Ю.И., Рахманова А.И., Румянцева И.С., Желтовской Л.А., Шерен-кова И.А., Якушкиной И.А. и др.), в границах которого в отдельную группу могут быть выделены работы Дупляка В.Д., Пикалова Ф.И., Столкера Д.Д., Курганова A.M., Турсу-нова A.A. и др., посвященные развитию волновой теории и зучению течений формирующихся в режиме прыжок-волна;

* изучение гидравлического прыжка как процесса многоступенного характера в работах Альферовича А.И., Антонникова А.Ф., Гальперина P.C., Дмитриева А.Ф., Ива-шинцоваД.А., Кавешникова А.Т., Образовского A.C., Тараймовича И.И., Тер-Аракеляна У.А., Фидмача 6.А., Фомичева М.С., Стефанович Г.В. и др., с учетом влияния на кинематическую структуру потока очертания и формы крепления на лослепрыжковом участке. Приводятся экспериментальные данные и расчетные зависимости ряда авторов, которые могут быть использованы в практических рзсчотах кропления дна. Отмечается, что для полной и объективной оценки сопряжения бьефов следует рассматривать два этих направления совместно в единой схеме.

При этом основным недостатком существующих схем управления течениями является фактическое неиспользование регулирующих возможностей рисберм и концевых устройств.

Предлагается направление диссертации посвятить разработке схем управления процессом диссипации, в которых рисберму и концевое устройство рассматривать как равноценные с водобойной частью элементы регулирования кинематической структурой потока, что позволило бы создавать более гибкие схемы управления с высокими регулирующими возможностями, обеспечивающими гашение избыточной энергии потоков на более коротком участке крепления.

Глава 3 посвящена постановке задачи исследований и содержит положения разрабатываемой автором теории многоуровенных (ступенных) схем управления течениями в нижнем бьефе, рассматривающей сопряжение бьефов поэтапно в зависимости от сложности применяемой конструкции крепления дна, ее состава и выполняемых функций в процессе формирования пространственного гидравлического прыжка. В постановочной части главы сформулированы цели и задачи исследований, включающие на I этапе:

1. Разработку основных положений теории многоуровенных схем управления течениями за водопропускными сооружениями.

2. Оценку применимости многоступенных схем управления течениями в условиях формирования переходных режимов сопряжения (0,85 £ Fr2 £ 0,50).

3. Формирование граничных условий и оценку параметров расчотного режима сопряжения.

Предлагаемое автором поэтапное решение проблемы совершенствования способов управления течениями за водопропускными сооружениями, потребовало на начальном этапе разработки положений теории управления. В основу теории формирования течения в границах крепления дна положена ступень управления, под которой следует понимать участок крепления в составе водопропускного тракта, в границах которого осуществляется управление потоком, связанное с изменением его структурных и энергетических характеристик, либо подвод потока к такому участку, или отвод от него.

Все ступени управления в зависимости от выпоняемых ими функций могут быть подразделены на активные и пассивные:

- к ступеням активного управления отнесены участки креплений дна (гасители), где происходит объемная (многофакторная) перестройка характеристик потока, сопровождающаяся потерей кинетической (Е«) и волновой (Еь) составляющих энергии потока;

- к ступеням пассивного характера управления относятся участки рисбермы, соединяющие ступени активного управления или выполняющие роль подводящего к ним (или отводящего от них) участков тракта.

Характер деления на ступени управления представлен на рис.1. Здесь в условиях многоступенной схемы управления может быть предложен принцип перехода одного гидравлического режима в другой, меньшей кинетичности, отвечающий следующему неравенству:

Рг, >Рг2>Рг3, (1)

где

4 £ Рг^ 215+45 - водобойная часть,

0,56 <. Рг2 5 0,85 - рисберма,

Рг3 5 0,4+0,5 - концевое устройство.

Отмечается, что одновременно рассмотрению в составе крепления подлежат не менее 2-х смежных ступеней управления, регулирующие возможности которых должны рассматриваться в границах одной гидродинамической системы (модели).

Для характерных участков дается краткая характеристика регулирующих возможностей ступеней управления в составе крепления дна. Сложность процесса управления околокритических потоков с волнистой поверхностью заключается в том, что:

- с одной стороны они характеризуются относительно малой кинетичностью

(0,8 й Ргг £ 0,5), что предполагает низкую интенсивность процесса гашения избыточной энергии потока в составе крепления дна;

- с другой - наличие волновой составляющей Еь . достигающей до 5+13% от Е,. снижает эффективность работы известных конструкций креплений.

Учитывая то обстоятельство, что соотношение групповой скорости и (с которой переносится энергия потока) к скорости перемещения волны С отвечает условию:

0,5 2 и/С 5 1,0 , (2)

возникает возможность оценивать внутреннюю структуру потока введением корректива

и/с.

Рис.1. Схеиа деления крепления дна на ступени управления

Отличительной особенностью формирования околокритических течений является образование уединенной волны, высотой Ьь, которая может рассматриваться как реакция от взаимодействия транзитной части потока с нижним бьефом, включая и вторичные течения. Дается градация течений с волнистой поверхностью, их параметры, выделена возможная область исследований, включающая околокритические спокой ные течения (0,8 > Рь > 0,56) и спокойные течения (Рг2 < 0,56). Область исследуемых течений, что подтверждается экспериментальными данными (см.рис.1), отвечает в границах крепления дна участку установившихся потоков, где градиенты величин пуль-сационной составляющей скорости (5„) и давления (А<Д) - наименьшие. Отмечается, что в пространственных условиях сопряжения бьефов пульсационная составляющая 5и по сравнению с плоскими условиями возрастает на рассматриваемом участке (I. > 15 Ик ) в 1,5+2,5 раза. Это обстоятельство позволяет наметить пути управления спокойными течениями: ограничение влияния вторичных течений на процесс сопряжения бьефов, путем снижения интенсивности поперечной циркуляции е^ по границе транзитной части потока. Впервые вводится понятие режима сопряжения на послепрыжковом участке в границах рисбермы и концевого устройства, рассматриваемого как многофакторная результирующая от взаимодействия течений и элементов креплений дна. Отмечается, что в условиях решения плановой задачи (0,1 5 р £ 0,6), можно формирующийся околокритический режим (0,5 2 Ягг < 0,80) принять за расчетный режим сопряжения, с корректировкой величин параметров течения в границах расчетных створов. Было признано обоснованным дальнейшие выводы основывать на экспериментальных результатах.

Четвертая глава диссертации посвящена выбору граничных условий. Выбор основан на моделировании переходных режимов сопряжения в составе многоступен-ных схем управления, относящихся к области волнистого гидравлического прыжка (0,7 < И < Ьк).

За расчетные приняты схемы одностороннего (жесткая модель) и двухстороннего (подвижная модель) расширения потока, исследуемого в границах расчетного отсв- ' кз: 1<>гс £ 20 с коэффициентом расширения рр = В/Ь = 3, в границах области свободного растекания потока.

Объект исследования составил тракт реального водопропускного сооружения с широким порогом (в состава защитного комплекса), выполненного в масштабе 1:40, для которого Яе„, = 7,54-8,1 -104, что отвечает случаю безнапорного потока с преобладанием сил тяжести при наличии локальных возмущений, где критерий Рг становится определяющим уже при Кедоп2: МО4.

Исследования, выполненные в главах 3, 4, позволили акцент в дальнейших исследованиях сделать в основном на активных ступенях управления (рисбермах и концевых устройствах), с управляемым процессом диссипации, отличающихся наиболее высокими регулирующими возможностями в условиях плановой сбойности в нижнем бьефе. Это позволило в главе 5 сформулировать цели и задачи Н-го этапа исследований, включающие:

1. Оценку регулирующих возможностей крепления рисбермы с вертикальным уступом дна при отсутствии и наличии направляющих элементов.

2. Составление и решение уравнения сопряжения бьефов в границах крепления рисбермы с управляемым процессом диссипации энергии, определение величин параметров управления.

3. Составление классификации схем управления и креплений дна за водопропускными сооружениями защитных ГУ, основанной на положениях теории многоступенных схем управления течениями.

4. Разработку методики расчета размеров элементов кропления дна, с учетом их регулирующих возможностей, в составе 2-х и 3-х ступенных схем управления течениями.

Невозможность численно оценить все факторы, влияющие на формирование течений в условиях управляемого процесса диссипации и определить все составляющие, входящие в управление пространственного сопряжения бьефов, вынудили автора прибегнуть к широкому использованию экспериментальных данных и зависимостей гидромеханики и волновой теории там, где это представляется возможным и приводит к малым величинам допущений.

В этом плане экспериментальная часть работы может рассматриваться как естественное продолжение серии работ по управлению околокритическими течениями, выполненных автором в предыдущие годы.

Исследования, выполненные в гл.5, показали, что гладкая рисберма с прямым уступом дна может рассматриваться как база для разработки конструкции с управляемым процессом диссипации энергии. Область поперечного тока в границах вальца за уступом дна являясь водопроводвщим трактом для присоединяемой извне (со стороны боковых водоворотных областей) водной массы ДСЮ, несмотря на малые объемы (AQ/Q = 0,02+0,03), может влиять на изменение формы течения в плане и по глубине, которое происходит обычно на относительно коротком расстоянии («5+7 hk) и проявляется уже в границах вальца.

Несмотря на кажущееся многообразие форм течений в плане для течений с соотношением ширины (Ь) к глубине (h) - b/h > 1 можно выделить две основные (рис.2):

- седловидная форма (сечение 1-1) с невыравненными в плане величинами удельного расхода (q) и давления (Р), скорости (U) харакеризуется повышенной кино-тичностью, отвечает области с наиболее высоким трансформирующим влиянием боковых водоворотных областей;

- параболическая или близкая к ней (сечение Ill-Ill) характеризуется более выравненными величинами q, Р, U, в плане, отвечает области планового растекания и может рассматриваться как результат процесса управления параметрами течения, когда трансформирующее влияние вторичных течений (боковых водоворотных областей) на транзитную часть потока - снижено.

Сравнивая представленные схемы, можно констатировать, что интенсивность поперечной циркуляции ей в границах седловидной формы течения в 2-2,5 раза выше, чем в параболической, что способствует увеличению энергии вторичных течений Евод,

г ЛГСУ1

"Фх > Чж > игР* Ц, |||

= Ч __Ж ^ ^

- гг3 *(ао5*аоб)йя 'I' " " " ^/ТТ'' 'I

Ри&2. Особенности формирования течений на 11-ой ступени управления за прямым уступом дна (случай свободного растекания).

на 30-35% и, как следствие, усилению явлений плановой сбойности, сопровождающейся увеличением концентрации удельных расходов К, в границах транзитной части на 20*25% [2,5]. В качестве регулирующего эффекта в этом случае может быть изменение формы течения в плане, как необходимое условие управления процессом диссипации избыточной энергии потока по границе транзитной части потока ( иф/и, еь да/а).

На следующем этапе исследования (глава 6) с целью ограничения величин циркуляционных процессов в придонной области течения (за уступом дна) и выравнивания характеристик потока в плане была предложена к рассмотрению конструкция рисбермы с продольными направляющими шпорами (стенками), располагаемыми на высоту уступа на участке заглубленной части крепления дна.

С учетом наблюдающегося характера циркуляционных процессов и форм течения было признано целесообразным раполагать не менее чем по два элемента на одно водопропускное отверстие, ориентируя их в средней четверти транзитной части потока. обеспечивая тем самым возможность влиять на процесс поперечной циркуляции по длине направляющих элементов при одновременном торможении потока в придонной области. При этом регулирующий эффект будет включать:

- торможение потока по высоте направляющих элементов, сопровождающееся гашением части избыточной энергии потока и перераспределением еодной массы (0+Д(2) в плане и по глубине;

- ориентацию динамической оси потока в придонной области вдоль направляющих элементов, что определяет его устойчивое положение в нижнем бьефе;

- ограничение поперечной циркуляции ее на участке заглубленной части крепления (второй ступени управления).

В случае выхода направляющих стенок за границы вальца за уступом дна вдоль них образуется область с замедленным движением потока иф/и. По периметру этой области наблюдается рост градиентов скорости в вертикальной (<Ш/с)Л) и горизонтальной (с!1МУ) в плоскостях от (0,3+0,5) и до (0,9+1,0) 0, наличие уступа дна усиливает этот процесс. В границах участка роста градиентов формируется зона интенсивного турбулентного перемешивания, значительно превышая размеры направляющего элемента (см.рис.3). Такого рода объемная перестройка потока за уступом дна способствует интенсивному развитию сил турбулентного трения (т), величина которых может быть определена по зависимости:

Л

-А

сМ2

-й

(3)

<ш аи

где I,, 1У - длина пути перемешивания; —, — - приращение в вертикальной плос-

□2 ау

кости и в плане.

Обтекание направляющих элементов способствует формированию пограничного

слоя по их высоте (в вертикальной плоскости) и развитию дополнительных (пристенных) сил сопротивления.

> а Кг ' > г я. и« % ы

} 4 Ьй 1

А - зона интенсивного турбулентного перемешивания

Рис.3. Характер формирования сопротивлений Р^и хул вдоль направляющих элементов. (Схема с управляемым процессом диссипации).

Численные значения величин сопротивления вдоль направляющего элемента длиной (1шп) и высотой (Ишп) , было получено на основании анализа уравнения На-вье-Стокса для случая двухстороннего обтекания пластины потоком и соствило:

г<*х

о V X

(4)

где ар - коэффициент площад.1 обтекания; а™ - коэффициент количества движения; и« = (0,3+0,9)1)- скорость обтекания; ц, р - вязкость и плотность жидкости.

Для решения уравнения сопряжения бьефов, имеющего место в границах базовой конструкции, была составлена кинематическая схема формирования течений и система действующих сил (рис.4).

Было составлено уравнение изменения количества движения для участка отсека жидкости в границах транзитной части потока 11-ой ступени управления базовой конструкции:

(И, ± <±А / <1х)2 „

-Ь3-Ги—--¿-ь (5)

у03Ц3 уОгЦг _ (И, ±dA/dx + a)21 9 9 ~У 2

Расчет сводится к сопоставлению величины суммарного сопротивления ^ , на участке сопряжения, выведенного из уравнения (5) с данными экспериментальных исследований, где:

ч

где

(И. ±<!А/с1х + а)* , -

+ |аги!

а2 = 0,95 + 0,97;

а3 = 1,02 + 1,15;

иг йз

ЬгЬ2 О ЬзЬ3'

(6)

(7)

(8)

Результирующая величина получаемая на основании решения уравнения (6), представляет собой сумму местных сопротивлений и воздействий, оказываемых на поток (потоки) в границах участка управления.

В силу сложности процесса формирования течений за уступом дна, при наличии направляющих элементов величина суммарного сопротивления Яг была разбита на две группы составляющих:

= Я, + Я,, (9)

где - сумма местных сопротивлений, как реакция от взаимодействия потока с эле ментами крепления дна;

X* ГНБ

Рис.4. Схема действия сил для вывода уравнения количества движения в границах расчетного отсека

(Чн - сумма сопротивлений, имеющих место при взаимодействии транзитного лото ка и вторичных течений.

Такой подход позволил систематизировать величины гидравлических сопротивлений по группам, на участке действия креплений с управляемым процессом диссипации, выделив из них составляющие, оказывающие наибольшее регулирующее воздействие, формируя таким образом условия для составления уравнений для участков сопряжения за уступом дна с минимальной величиной возможных допущений.

Составляющие величины сопротивлений и Им даны в таблицах 1 и 2.

В общем виде величины сопротивлений, по группам сопротивлений и Ян могут быть представлены в виде системы уравнений:

Я, = рХ.БИ- + 0,67аЛ„^р(атия)' ]-

+0,0061 [ — и^х;

9 ; йх .¿2

та д

К К-

<)у +

(10) (11)

йу

где

Хэ - коэффициент гидравлического трения;

Э- площадь обтекания;

Овод - циркулирующие расходы в границах водоворотных областей; 1|, !и, '¡и - участки формирования течений;

сад - коэффициент присоединения водной массы.

Данная система уравнений (10, 11), решаемая совместно с (5, 6, 7, 8, 9), позволяет определить составляющие процесса управления (Яь Иц) для разных конструктивных схем крепления дна , ЬшЛ,).

На основании представленных на рис.б данных можно констатировать, что на рассматриваемом участке сопряжения, в границах крепления с управляемым процессом диссипации определяющая потерь энергии К», достигающая 70+73% [Ч£, связана с изменением формы течения и кинетичности вторичных течений и на 27+30% - формируется за счет внутренних сопротивлений ((Ч|).

При Я| / £ 0,10 - конструктивные схемы отвечают высокому уровню управления течениями, при / ВЕ < 0,4 - низкому.

На рис.6 представлен график изменения энергетической составляющей (Е„ + Еь / Е„ип) в потоке в зависимости от длины направляющего элемента (1ШЛ /Ьк) в составе базовой конструкции. Из представленных данных следует, что с увеличением длины 1ШП

Рис.5. Изменение величин сопротивления НУ—^2, на участке управления за уступом дна

9 д

А - нерасчетная область:

В - область со средними регулирующими возможностями, С - область с высокой регулирующей возможностью.

Рис.6. Изменение энергетической составляющей потока в зависимости от длины

Ещи

направляющих элементов иЛъ в составе крепления дна

/Ьк наблюдается устойчивое снижение величин Е, + Еь / Етш ■ достигающее при /И* = 10 наибольшей величины (с 1,78+1,55 до 1,1+1,03), что равноценно эффективности гашения избыточной энергии потока на рассматриваемом участке крепления соответственно в 88 и 65%.

Основываясь на многоступенной схеме формирования течений (гл.З, 4), как базовой концепции управления в главе 7 были разработаны основные положения классификации и составлена укрупненная блок-схема классификации, представленная в табл.3, и характерные конструкции крепления, разработанные автором - в табл.4, 5, в.

Сопротивления и воздействия, составляющие величину Я?!

Таблица 1

Участок управления,действия Вид сопротивления Вел удельная ичина, формула суммарная Примечание

1.Дно по длине I» тд» „X lU»|Z Р** 2 X, =0,006 +0,008'

2.Вдоль элемента управления К --'шп ^^ 0,67арЬшп V Ьш„ 21,2а и»1»

З.Область поперечной циркуляции вдоль 1шл Я. ь/2 ^Гг 0,005 [ ^ ЬУ _Ь/2 "о-"9 в виде пристенного течения

Сопротивления и воздействия, составляющие величину Яп

Таблица 2

Участок управления,действия Вид сопротивления Вели удельная чина, формула суммарная Примечание

1. Боковая водо-воротная область Ттурв.И Р« dS dx 2 л 2 г,2 dЭ . н X, -0,006 +0,008-

2.Донный валец Ттурв.Ш РЙ d9 dy 2 ~Ы2 Р I'm Ь/2 d9 dy 2 dy 9 = (0,15 +0,22)0

З.Донный валец RiQ aQ—U 9 ао=0,02+0,03

4. Зона турбулентного перемешивания Ti "Р'г dU dz 2 dz N в вертикальной плоскости

5.Зона турбулентного перемешивания Ь -р!у dU dy 2 Ь* dU dy 2 dy в плане

Укрупненная блок-схема классификации схем управления течениями за низконапорными «одолролускными сооружениями ■ состава защитных гидрокомллвюоа

Классификация конструкций рисбермы с направляющими элементами (гасители группы Б)

№

пп

Вид а аксонометрии

Расчетная схема

Примечание

Направляющие элементы располагаются в границах области малых поперечных градиентов, границах уединенной волны ^ - реакция пристенного течения

&ЩЦ * йЛ

Направляющие элементы располагаются в границах области наибольших поперечных градиентов (п.2.3.4). Яц - реакции от пристенного течения

Ьл 6 * 6/41

Л

V

Ьшл

Прорезная полка позволяет повысить регулирующий эффект за счет поэтапного характера расширения. ^ - реакции от пристенного течения

В границах полки наблюдается плановое растекание потока с К,<1. ^ - реакции от пристенного течения

Классификация укороченных конструкций крепления (гасители группы Б)

Таблица 5

№

Вид в аксонометрии

Расчетная схема

Примечание

Укороченное крепление с прямым уступом дна. располагается в границах области малых поперечных градиентов. (дО/дх, дц/дх, йи/ах)_

бпр -

1пР<еь

Прорезная конструкция концевого устройства в составе укороченного крепления, располагается в границах области малых поперечных градиентов_

*Сщп > £ 6

Укороченное крепление с направляющими элементами, располагается в пределах области малых поперечных градиентов.

Классификация конструкций концевых устройств (гасители группы В)

Вид в аксонометрии

Расчетная схема

Примечание

1пр>Еь

Прорезная конструкция концевого устройства в составе рисбермы располагается в пределах области наибольших поперечных градиентов

€лР>е&1

Прорезная 2-х ступен-ная конструкция концевого устройства в составе рисбермы, располагается в пределах области наибольших поперечных градиентов

-I

Направляющие элементы конструкции концевого устройства в составе рисбермы располагаются в пределах области наибольших поперечных градиентов

Рис.7. Изменение граничных глубин = околокритического потока в пространственных условиях при наличии и отсутствии уступа дна.

Положения обобщенной классификации по уровням планирования предполагают поэтапный характер составления макета крепления дна и включают в себя: на I уровне • классификацию схем сопряжения бьефов по количеству ступеней

управления течениями; на II уровне - классификацию схем сопряжения поо характеру ступеней управле ния (активного и пассивного характера) и расчетным режимам со

пряжения;

на III уровне - классификацию элементов крепления дна, используемых для формиро-' вания течений в границах участков управления, предполагающих наличие трех групп гасителей (А, Б, В).

8 глава содержит расчетную часть работы, которая позволяет обобщить результаты теоретической и экспериментальной частей исследований в виде методики расчета элементов креплений дна за водопропускными сооружениями в составе 2-х и 3-х ступенных схем управления. Расчет элементов крепления осуществляется в несколько этапов.

На I этапе по заданным величинам (z, q, (3,1УНБ) осуществляется выбор конструктивной схемы водопропускного сооружения и начального режима сопряжения. Параметры начального режима сопряжения определяются на основании номограммы использования водопропускных регулирующих сооружений в составе защитных гидрокомплексов с использованием обзорного материала по конструированию водопропускных регулирующих сооружений (Гл.1, Приложение2).

На II этапе составляется макет конструкции крепления дна и обоснование конструктивных решений по ступеням управления. Непосредственно выбор осуществляется на основании положений классификации (гл.7) с использованием как укрупненных схем управления течениями, так и конструктивных решений по ступеням управления.

На III этапа (расчетном) определяются глубины потока по ступеням управления, в границах базовой конструкции крепления рисбермы. Здесь выбор высоты уступа дна основан на формировании сдвигового течения определенной интенсивности, достаточной для управления околокритическим потоком, которое должно осуществляться в границах области свободного растекания при обеспечении на участке за уступом наибольших величин градиентов dQIdx и aq/dx , которые могут рассматриваться как результат взаимодействия транзитной части потока и боковых водоворотных областей.

В расчете используется известная зависимость Шеренкова-Константинова = f(Pp) для определения координат границ области свободного растекания околокритического потока, с корректировкой для случая а>0. В области свободного растекания (рис.7) автором на основании экспериментальных данных выделена зона возможных высот уступа а, которая в интервале 2<рр <11 лежит в пределах [9,12,15]:

0,3hksas0,75hk (12)

В общем виде величины высот уступа (а™,, а, а^п) для креплений эксплуатируемых в пространственных условиях сопряжения бьефов могут быть определены по зависимостям:

а™, = 0.05(Рр-1)М1,5Ьк-Ь2 (13)

а =0,05((5р-1)Ьк+1.35Ик-Ь2 (14)

ат1п = 0,05(рр-1)Ь1<+1,15Ьк-Ь2 (15)

где Нк - критическая глубина а створе 11-11;

Иг - глубина потока на рисберме до уступа. Вне зависимости от соотношения величин а и Иг глубина потока <Ьэ) на заглубленном участке крепления должна отвечать условию:

Из = а + Ь2<4пЬк (16)

На 1У этапе (расчетном) определяются линейные размеры креплений дна. Расчет основан нй возможности применения формул волновой теории выведенных для плоских условий для определения длин крепления в условиях пространственного сопряжения бьефов, требования к выбору которых были получены на основе экспериментальных данных по определению регулирующих возможностей гладких рисберм с уступом дна [5,9,10,12]. Это становится возможным в связи с тем, что линейные параметры волн (Хь, 1о. 1с, I) вдоль динамической оси (рис.ва) сохраняют свои значения, эффект пространственности сказывается на амплитуде колебаний водной поверхности (А), вызывая гашение волновой составляющей по границе транзитной части [12,13,14].

А. Случай двухступенных конструктивных схем крепления дна (2£ 6м). Расчет ведется для двух схем управления, в пределах областей малых (1_крм.м|) и наибольших (Lkpm.ii) поперечных градиентов (дц/дх, дО/дх, до/Эх).

а) Для случая прямого уступа дна (область малых градиентов) длина крепления 1_крц должна назначаться на основе выполнения условия планового растекания транзитной части потока в границах рассматриваемого участка крепления (рис.ва), где:

Цс^ирм^ВОб (17)

Так как энергия потока распространяется со скоростью и (групповой), меньше скорости волны С, в формул у (17) вводится уточняющий корректив и/С:

1_кР1., = и/С[(1-1с)±10], (18)

после подстановки и/С, 1,1с, 1о [9] имеем:

, 2тЬ

0,8Цагсь(1 О^тц. ~ 1) * О.вб] ]

где

2я1ь т= —-,

т - волновое число, Я« - длина волны, б) Для случая управляемых течений:

и,

4 1

(18)

(20)

(21)

Рис.8. Расчетные схемы для определения длин крепления (Цр), 2-х ступенная схема управления

а) в пределах области малых поперечных градиентов;

б) в пределах области наибольших поперечных градиентов.

и,/С, = 0,75+0,8;

а|_ц = 0,5 - для прорезной конструкции крепления дна; = 1,0 - в случае применения направляющих шпор.

1-фц

С,

пИ,

0,8Ис{агсЬ(10Ула -1)± 0,66]

•/¡п#г

в) Расчет 1_кр|м для случая управления в пределах наибольших поперечных градиентов (дц1(1к, дСИдх, до/с*) должен отвечать условиям обеспечения наибольшей величины бокового притока ДО в границах заглубленной части крепления, участка ак тивного управления, где на сходе с уступа дна должна формироваться кривая восстановления, при этом гладкая часть крепления составит (рис.86):

иЧ

где Окр 1м = 0,25+0,5 - уточняющий корректив. После подстановки и/С, 1,1с, 10, Хь :

ир|м = У1

0,8Ьс[агсЬ(10^^ТТ1)±0,6б1 2*Ь, 1 -1-=====-'-1с + ац_|' , = V

I

(23)

. (24)

Общая длина крепления дна, включая участок активного управления, составит (рис.8б):

. У» ГЛ_.1 и! 1, ~ 1 и, Уа.

LkPii.ii

!-[(|-1с)±101 + а,мХн) ] + ?г-а,иЯь,1

О,

(25)

где и2/С2 =0,75+0,80. или в развернутом виде:

и |0№с[агсН(107^1)±0.6б| 2*Ь, 1

(26)

2лЬ,

где 0,55ац.ц 51,5-уточняющий корректив, определяющий размеры активного

участка управления. Б. Случай трехступенных конструктивных схем крепления дна (6м < гй 25м).

При выводе зависимостей для Ькр 1У, исходим из следующих допущений: - плановая сбойность на послепрыжковом участке учитывается величиной Ка и

и

- участок регулируемых течений на рисберме отвечает области наибольших поперечных градиентов (дО/дх, дс\1дх, си/Зх);

- размеры участка вертикального расширения потока в границах водобойной части крепления известны и могут быть определены по зависимости:

и.= Кр,„л(ИгЬ1), (27)

где К, ш * 4+4,5 - для гладкого водобоя;

Кр |у= 3+3,5 - при наличии водобойной стенки, а) Схема с гладким водобоем 9 £ Рг, <А51 Общая длина крепления составит (рис.Эа):

1лр „ = К„„, (ЬгЫ) ♦ (Л + + (£) а., ■^, (28)

где иуСг; и^Сз; ащ - определяются на основе эксперимента. После подстановки 1о, получаем:

ЬФ,,, - КМ1 (Ь.Ь,) ♦ (£) +

где

0,54

(29)

(30)

Следует отметить, что величина заглубленного участка крепления (Ьз/Ьк, и) может корректироваться в границах величины:

1|Н= и = а„ , ■ (31)

б) Схема с водобойной стенкой 15 й 45 (рис.96).

Ь<р,у + а,Л,. (32)

После подстановки 10, Хм, Хм, имеем:

„к- ь^/Ч) ^р 3*»!. ГШ яН. 1-кр,у = КМУ + -А • 1 А■ + , ' "Г + Ьг а,у | . . (33

где оиу - определяется экспериментальным путем.

Представленные зависимости (25-32) следует рассматривать а широком плане использования в составе трехступенных схем управления. Следует отметить, что в • представленных расчетных зависимостях из состава икр исключены участки, в виде каменной наброски, размеры и состав которых следует определять экспериментальным путем.

Рис.9. Расчетные схемы для определения длин крепления (Ц ), 3-х стугетная схе»«а управления: а) в случае применения гпадхого водобоя; 6} в случае применения водобойного колодца (станки).

На У этапе (поверочном) дается оценка регулирующим возможностям крепления дна в целом и по ступеням управления, на основании имеющегося фактического экспериментального материала или проведения поверочных опытов.

В диссертации (приложение 4) в рамках проведения поверочных опытов приведены результаты исследований на пространственной размываемой модели работы базовой конструкции рисбермы со средними регулирующими параметрами (Ri/R£ = 0,1) в. расчетном околокритическом режиме сопряжения (Fr2 = 0,7, q = 42 мэ/пог.м). Полученные данные свидетельствуют о том, что по сравнению с прямым уступом дна (Q = 0,35 h* ), за базовой конструкцией рисбермы не образуется выраженной воронки размыва, объем выноса грунта (qT) уменьшается в 4+5 раз, концевое устройство не разносится и сохраняется как элемент крепления.

Заключение

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертации, позволил проблему управляемого процесса сопряжения бьефов перевести в практическую плоскость. Была решена важная задачи гидротехнического строительства - управление низкокинетичными потоками за водопропускными сооружениями, обеспечивающее их устойчивую работу в переходных режимах сопряжения бьефов.

Комплексный подход к решению данной проблемы позволил разработать новую методику проектирования схем управления и крепления дна разной сложности и регулирующих возможностей, включая их классификацию, методику расчета, оценку регулирующих возможностей конструкций с управляемым процессом диссипации энергии.

По итогам диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Отсутствие обоснованных методик определения размеров элементов крепления дна устойчиво работающих в условиях неравномерного распределения удельных расходов в нижнем бьефе, потребовало разработки принципиально новых схем регулирования течениями, основанных на управляемом процессе диссипации энергии потока, включая рисберму и концевое устройство, которые ранее в составе активных участков управления не рассматривались.

2. Анализ исследования в области управляемых течений показал, что важным компонентом разрабатываемой методики управления течениями в нижнем бьефе является выбор режима сопряжения и оценка характера течений в границах крепления дна, в том числе кинематики потока на послепрыжковом участке. В рамках данной работы эти вопросы решались на примере водопропускных сооружений, в составе защитных противопаводковых гидроузлов, характеризующихся широким спектром расчетных схем сопряжения, изменяемых во времени, в том числе переходных форм околокритического характера (0,4s Fr2.3 0,85).

3. Вследствие большого разнообразия конструкций крепления, отличающихся разным составом и регулирующими возможностями, автором предложен и заножен в

основу разрабатываемой теории управления принцип поэтапного* рассмотрения процесса сопряжения на участке крепления дна на каждой из его ступеней (водобой, рисберма, концевое устройство). Было предложено все ступени управления, в зависимости от выполняемых функций, подразделять на активные и пассивные и для них, в составе крепления, может быть предложен принцип поэтапного перехода от одного гидравлического режима к другому, отвечающий условию: где 2+3 £ Fr-, 2 24+45; 0,56 S Fr2 S0.85; Fr3 <0,4+0,5 (см.рис.1).

4. Исследования показали, что наличие в составе рисбермы за уступом дна протяженных направляющих элементов отвечает распределительно-ограничительному принципу управления течениями в нижнем бьефе, способствует выравниванию характеристик потока (U, Р, q) в плане и снижению интенсивности поперечной циркуляции (u/U) в 1,33+1,5 раза с адекватным торможением боковых водоворот-ных областей.

5. Экспериментальная оценка регулирующих возможностей базовой конструкции крепления дна показала, что при увеличении 1ШПЛ\ от 0 до 10 наблюдается снижение в потоке относительной величины энергетической составляющей (Ек + Еb / Emin) с 1,78 до 1,1+1,03, что соответствует эффективности гашения 88% и 95% от энергии в сжатом сечении на участке рисбермы (см.рис.6).

6. По результатам решения уравнения сопряжения бьефов (7,8,9,10,11), было установлено, что за критерий эффективности управления процессом диссипации энергии потока может быть принято соотношение величин сопротивления; Ri / R¿ при Rt / Rr > 0,10 - конструктивная схема отвечает высокому уровню управления; при Ri / R£ 2 0,04 - низкому.

7. Для практического использования основных положений теории многоуровенного (ступенного) характера управления течений составлена классификация расчетных схем управления и конструктивных элементов крапления дна (см.табл.З). Разработаны группы гасителей (см.табл.4, 5, 6), позволяющие обеспечить гашение избыточной энергии потока в широком диапазоне величин (z, q, Fr).

8. Предлагаемая в диссертации (гл.З) новая методика проектирования креплений нижнего бьефа включает:

- на 1-11 этапе составление макета конструкций фепления на базе разработанных положений классификаций;

- на 111-1У этапе -. расчет размеров элементов фепления дна в границах ступеней управления, с учетом их регулирующих возможностей и расчетного режима сопряжения (Kq, hi<, tVhk, U/C, А).

9. Расчет высотных параметров потока в границах ступеней управления (a/hk, hj/h*, h]/hk), выполняемый по зависимостям (12, 13, 14, 15, 16), ограничивает глубины потока областью свободного растекания и обеспечивает формирования плановых течений без сбойности (см.рис.7).

10. Полученные на основании волновой теории зависимости для двухступенных схем управления (17-25), позволяют использовать их для расчета длин элементов крепления низконапорных ППГУ (1 м í z á 8 м), работающих в околофитическом режиме сопряжения бьефов (0,5 <, Fr¡ i 0,85 (см.рис.8 а,б).

11. Выведены зависимости для определения общей длины крепления за водопропускными сооружениями (7 м s z S 25 ы) в составе трехступенных схем управления для гладкого водобоя (27-31) и с гасителями реактивного типа (32,33), включая рисберму и концевое устройство (рис.9 а,б).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. К вопросу о пересечении естественных водотоков с магистральными каналами // Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Меж-вуз.сб. / ЛТА, 1982 (в соавторстве).

2. Исследование пропуска леса через водосброс Кривопорожской ГЭС на р.Кемь II Лесная промышленность. - 1983. - № 3 (в соавторстве).

3. Охранные мероприятия при пропуске леса через гидроузел в строительный период II Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Межвуз.сб. / ЛТА, Л., 1984 (в соавторстве).

4. Гидравлические исследования низконапорного водопропускного сооружения / Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Межвуз.сб. /ЛТА, Л., 1985 (в соавторстве).

5. Гидравлические исследования пропуска аварийных расходов II Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Межвуз.сб. /ЛТА., 1986 (в соавторстве).

в. Рисберма водопропускного гидротехнического сооружения. А.с.СССР Na 1301915, 1987.

7. Быстроток с виражом. А.с.СССР Na 1324644, 1987 (в соавторстве).

8. Особенности плановой структуры потока за низконапорными водопропускными сооружениями в околокритическом режиме сопряжения бьефов. // Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решения. Межвуз.сб. (тезисы) ЛПИ, Л., 1987.

9. Размеры бетонной части комбинированной рисбермы за низконапорными водо-пропусными сооружениями. // Гидротехническое строительство. - 1987. - № 9 (в соавторстве).

10. Особенности управления околокритическими потоками в нижнем бьефе низконапорных водопропускных сооружений. // Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Межвуз.сб. /ЛТА, Л., 1987 (в соавторстве).

11. Рисберма водопропускного гидротехнического сооружения. А.с.СССР Na 1465482, 1989.

12. Особенности управления околокритическими потоками в нижних бьефах низконапорных водопропускных сооружений и оценка его эффективности // Гидравлика водохозяйственных объектов: Сб.научн.тр.: Труды ЛПИ № 424, Л., 1988. ;

13. Управление околокритическими течениями в нижнем бьефе низконапорных водопропускных сооружений. Автореф.дисс.канд.техн.наук. - ЛПИ, Л., 1989.

14. Управление околокритическими течениями в нижнем бьефе низконапорных водопропускных сооружений. Дисс.канд.техн.наук. - ЛПИ, Л., 1989.

15. Гидравлические исследования водопропускного сооружения наплавного исполнения для случая аварийного незакрытия затвора. // Изв.ВНИИГ, 1989, т.213 (в соавторстве).

16. Особенности формирования и управления течениями за низконапорными водосливными плотинами . // В сб.Рос.н.-т.конф.: Инновационные наукоемкие технологии для России, 25-26 апреля 1995 г. (тезисы докл.), ч.1, СПб, 1995.

17. Выбор конструкции крепления дна за водопропускными сооружениями защитного комплекса. II Научно-техн.ведомости СПбГТУ № 1-2, - СПб. 1997 (в соавторстве).

18. Особенности работы регулирующих сооружений в составе защитных комплексов. . // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы й,-

т.конференции 16-17 июня 1997 г. СПбГТУ, 1997 .

19. Повышение надежности работы креплений дна в составе защитного комплекса II Изв.ВНИИГ, 1998, т.234 (в соавторстве).

20. Регулирующие возможности креплений дна с управляемым процессом диссипации. II Мелиорация и водное хозяйство, N11 в, 1998 (в наборе).

21. Ступени управления течениями в составе крепления низконапорных водосбросных сооружений. // Научно-техн.ведомости СПбГТУ, № , СПб, 1998, (в наборе).

Санкт~Петербургсккй государственный технический

университет

на правах рукописи

АЦЦРЕЁЗ Алексей Евгеньевич

УДК 532.

'ПОТОКАМИ ЗА ВОДШРШУСКНЫМИ СОООТЕНИЯМИ В СОСТАВЕ ПРОТИВОПАВОДКОВЫХ ЗАЩИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

п

иециальность- 05.23.07 - Гидротехническое и

мелиоративное строительство

на сои

С.-Петербург 1998

-й-

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ... .............. 6

ВВЕДЕНИЕ ...........................10

ГЛАВА I. ОСНОВЫ КОНЦЕПЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ

В СОСТАВЕ ПРОТИВОПАВОДКОВЫХ ЗАЩИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ... 23

1.1. Общие положения применения защитных речных сооружений и гидроузлов регулирующего характера . . 23

1.2. Постановка задачи использования схем противопаводковых защитных комплексов ........... 29

1.2.1. Общая структурная схема гидрокомплекса ...... 29

1.2.2. Последовательность возведения ГУ в составе защитных гидрокомплексов .......... ... 37

1.3. Оценка условий применения регулирующих ГУ в составе защитного комплекса /на примере Амуро-Зее-Бурейнского междуречья/...................44

1.3.1. Общая характеристика района предполагаемого строительства защитных сооружений ........ 44

1.3.2. Ограничения парамтеров защитных БГУ и ППГУ

и последствия их возведения .... ........51

1.4. Конструктивные особенности водопропускных сооружений

в составе ГУ на ярусах защиты.......... . 55

Х.Ь. ВЫВОДЫ по главе I............................64

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РЕГУЛИРУЮЩИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КРЕПЛЕНИЙ ДМ В УСЛОВИЯХ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЫЖКА....... ........65

2.1. Требования, предьявлемые к креплениям дна за

водопропускными регулирующими сооружениями ..... 65 2.2. Анализ направлений исследований в области изучения

пространственного гидравлического прыжка ...... 74

2.3. Оценка работы конструкций креплений дна, применяемых в практике гидротехнического строительства ... 99

2.4. ВЫВДДЫ по главе 2................ . ЛИ

ГЛАВА 3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЖЗДОВАНИЙ 1-ГО ЭТАПА.

общие положения теории многоуровенных /сшенных/ схем УПРАВЛЕНИЯ течениями.............112

3.1. Постановка задачи исследований 1-го этапа .... 112

3.2. Общие положения концепции многоступенной схемы управления потоками в нижнем бьефе ........ 115

3.3. Расчётная схема многоступенного управления .... 123

3.4. Характеристика ступени управления как элемента крепления нижнего бьефа. Ступени активного и пассивного управления....... . -. . . . . .. Ï3X

3.5. Применимость многостепенных схем управления . течениями в условиях формирования сбойных явлений в нижнем бьефе. Особенности структуры течений, возможные пути управления ..... ... 138

3.6. ВЫВОДЫ по главе 3........ . . . ......157

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЩРАШШЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

выбор граничных условий ...................153

4Л. Условия формирования течений в составе крепления

нижнего бьефа. Область исследований........158

4.2. Правила моделирования гидравлических явлений . . . 164

4.3. Граничные условия в составе многоступенных

схем управления ............ ...... 176

4.4. Экспериментальная установка ............ 178

4.5. ВЫВОДЫ по главе 4 . . ...............185

ГШ 5. ПОСТАНОВКА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ П-ГО ЭТАПА.

ОЦЕНКА Ш1УЛИРУЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОТОК РИСБЕРМ С НЕУПРАВШМЫМ ПРОЦЕССОМ ДИССЖ1АЦИЙ ЭНЕРГИИ . . . 186

5.1. Постановка задачи исследований П-го этапа .... 186

5.2. Формирование сдвигового течения за уступом дна как фактора управления процессом диссипации

энергии в нижнем бьефе............. . 191

5.3. Структура донного вальца за уступом дна ..... 206

5.4. ВЫВОДЫ по главе 5 ................217

ГЛАВА 6. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СОПРЯЖЕНИЯ

БЬЕФОВ ДЛЯ СХЕМЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ ПРОЦЕССОМ

ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ................218

6.1. Выбор базовой конструкции крепления дна в составе расчётной схемы управления течениями . ...... 218

6.2. Формирование пограничного слоя по длине направляющих элементов .... .......... 228

6.3. Решение уравнения пространственного сопряжения

бьефов для базовой конструкции крепления дна . . . 236

6.3.1. Расчётная схема формирования течений 236

6.3.2. Решение уравнения количества движения .....

в границах формирования сдвигового течения . . . 243

6.4. ВЫВОДЫ по главе 6................258

ГЛАВА 7. ШССИФЙКАДИЯ СХЕМ СОПРЯЖЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТОВ

КРЕПЛЕНИЯ В СОСТАВЕ МН0Г0УР0ВЕШ0Й КОНЦЕПЦИИ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯМИ............. . 259

7.1. Разработка основных положений лежащих в основе классификаций схем управления течениями . -. -Укрупнённая блок - схема классификации .....259

7.2. Классификация схем сопряжения бьефов по количеству ступеней управления потоком. ........... 267

7.3. Классификация схем сопряжения по характеру ступеней управления и расчетным режимам сопряжения «... 276

7.4. Классификация элементов крепления используемых для управления течениями в границах активных участков

управления.................... 279

7.5. ВЫВОДЫ по главе 7................282

ГЛАВА. 8. РАСЧШ: ЭЛЕМЕНТОВ КРЕПЛЕНИЯ ДНИ В СОСТАВЕ РАЗНО-СОТЕННЫХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯМИ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ НИЗШНАПОРНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ . . 283 8.1»Основные положения лежащие в основе методики

расчёта. Исходные данные ............ . 283

8.2. Определение глубины потока на ступенях управления в границах формирования пространственного гидравлического прыжка............ . . 288

8.2.1. Исходные данные . . ........ ....... 288

8.2.2. Определение глубин потока в составе 2-х

ступенных схем управления течениями ...... 290

8.3. Определение длин конструкций крепления дна на активных и пассивных ступенях управления ..... 304

8.3.1. Общие положения и допущения ........... 304

8.3.2. Определение длин крепления для 2-х

ступенных схем управления течениями ...... 310

8.3.3. Определение длин крепления для 3-х

ступенных схем управления течениями ...... 3X7

8.4. ВЫВОДЫ по главе 8.................325

ЗАКЛШЕНИЕ..........................326

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................335

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................Зоб

Условное обозначение

I

У*I д^

ь 9 Т&р

JV

Р

Мк

м

В

у

<и>

и^игр^К

и

С

Ик

Ь|>

перечень принятых .ОБОЗНАЧЕНИИ наименование

г

площадь водосбора /затопления / коэффициенты использования; объём аккумуляции длина участка водосбора время пропуска количество ярусов зашиты величина обеспеченности уклон поверхности величина напора

ширина акватории нижнего бьефа расход воды удельный расход величина спутного потока удельный расход размыва продольная составляющая скорости движения потока

поперечная составляющая скорости

движения потока

групповая скорость

волновая скорость

глубина потока.по длине тракта

критическая глубина

величина перепада

глубина потока под гребнем волны

относительные глубины потока

уровень бьефа

Единица измерения

3

км?

км3, м3

км

час, суток

%

м м

м3/ с I?/ с

м3/пог.м* м/с

м/с м/с м/с

м м м м

м

А

ь £

Н

т

о),и)с ЯГ

ц

6-ц

«А

%

и«

И/ 6ц

^ ьиг) ^ 9 Ь шп

ширина потока локального течения

углы расширения потока

амплитуда колебаний водной поверхности

степень расширения потока

коэффициент использования

водосливного фронта

длина волны

волновое число

площадь живого сечения

величина турбулентных касательных

напряжений

поправочные коэффициенты

ко эффициенты концентрации

величина стандартов пульсации скорости

относительная величина пульсаций

давления

величина турбулентного перемешивания интенсивность поперечной циркуляции составляющие величин сопротивления коэффициент сопротивления коэффициент обтекания скорость обтекания

объём участков управления /торможения/ толщина пограничного слоя длина элемента крепления высота элемента крепления составляющие величин энергии минимальная величина энергии в расчётном режиме сопряжения

м

град, м

м

м2

кгЛ/

см

м2/с

т

м/с

м3* см3

м, см

м

м

-8т

«нр

а, а

т^Х > О тип

<?п Сп

I

С к

ЬнАн X

п р

гг

^ ^ аз

и.н.а и

Пи

%

е 6

А ^

диаметр /крупность/наброски м

длины параметров крепления м

высота уступа дна м

длина водосливного порога м

высота водосливного порога м

периметр живого сечения м

коэффициент Шези м

гидравлический радиус м

коэффициенты гидравлического трения м абсоютная высота бугорков шероховатости коэффициент шероховатости плотность удельный вес ускорение силы тяжести кинематический коэффициент вязкости число Фруда число Рейнольдйа

напор на мерном водосливе м

величина масштаба, постоянные масштабов величина масштаба

показатели степени —

число *31ц число Галилея

относительная погрешность результатов измерений

абсолютная ошибка косвенных измерений -

1/6

см

кг/с кг/с^ м/с2 см2/с

¿пр

д 6Г

К*

) т

погрешность измерительного прибора ср едне квадратичная погрешность результатов измерений абсолютная погрешность результатов измерений

коэффициент Стьюдента доверительная вероятность коэффициенты моделирования

температура воздуха единицы времени, массы, длины

м, м, м^2

, ,3/2 „ ,1 /2 м , м

град»

/с/, /т/,/м/

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы управления течениями за водопропускными регулирующими сооружениями в составе гидроузлов (ГУ) разного назначения является важным и крайне актуальным вопросом современной гидротехники. Несмотря на значительный объём исследований в области изучения процесса сопряжения бьефов в пратике отсутствуют обоснованные способы определения размеров крепления нижнего бьефа и рациональных (эффективных) схем управления в их составе при эксплуатации сооружений в пространственных условиях сопряжения бьефов ( Х)#

Под управлением потоками в составе крепления нижнего бьефа следует понимать комплекс технических мероприятий по конструированию участков крепления и регулирующих элементов, позволяющих в итоге создать условия для эффективного гашения избыточной энергии потока /диссипации энергии/ в условиях формирования плановой сбойно-сти ( К^>1) разной интенсивности»

Существующие конструкции крепления в основном проектируются на определенный режим сопряжения бьефов и малоэффективно работают в условиях переходных во времени режимов (2 » Зг , £ , ^ , ф УНБ) сопряжения. К таким расчётным случаям в первую очередь могут быть отнесены водопропускные сооружения в составе ГУ возводимых для целей зашиты периодически затопляемых территорий.

В настоящее время мало изученной остаётся задача проектирования водопропускных сооружений в составе ярусов защиты гидрокомплексов, включая базовые и переферийные гидроузлы /109, IX, 183/, возводимые на водотоках преимущественно средней водности, часто по схемам многопролетных водосливных плотин /86, 87, 124, 204-207/.

Исследования в области оптимизации конструкций регулирующих гидрокомплексов ведутся в настоящее время в 3-х направлениях: !♦ Исследования по совершенствованию конструкций элементов водо-

пропускного тракта, в т.ч. конструкций крепления нижнего бьефа (водобой, рисберма, концевые устройства) и схем управления течениями в пространственных условиях сопряжения; 2» Исследования в области плановой гидравлики нижнего бьефа при наличии и отсутствии спутных потоков, включая определение формы и размерности параметров струи и течений в целом, их кинетичности / Чг /, величины концентрации удельных расходов / ^Чфх/, т.е. процесса сопряжения как гидравлического явления, многофакторного характера. 3. Исследования в области охраны и рационального использования природных ресурсов» в том числе совершенствования технических средств и методов зашиты окружающей среды применительно к регулирующим и защитным сооружениям гидроаккумулируюаего характера и водопропускным сооружениям в их составе.

В рамках данной работы акцент в исследованиях был сделан на I направлении, позволяющим в итоге выйти на оптимизацию конструкций крепления дна и схем управления за низконапорными регулирующими сооружениями, с широким привлечением банка экспериментальных данных» в том числе П-го направления.

Анализ исследований в области формирования управляемых течений в нижнем бьефе показал /4,5, 20-29, 36, 37/, что существующие схемы управления и конструкции крепления дна в основном ориентированы на использование всей ширины водосливного фронта ( ]Ь ~ 1,0) и требуют существенной доработки для их использования в пространственных условиях сопряжения ( < 1,0), особенно при переходных режимах сопряжения. Было признано целесообразным дополнить существующие расчётные схемы сопряжения новыми, более совершенными, устойчиво работающими в пространственных условиях.

В основу разрабатываемой в рамках данной работы концепции проектирования креплений нижнего бьефа автором была положена идея

создания условий для рассосредоточенного характера управления течениями в нижнем бьефе, путём более активного использования элементов крепления дна - рисбермы и концевого устройства - для гашения избыточной энергии потока, т.е. использования их в качестве активных участков управления. Принятие за основу данной концепции позволяет с одной стороны снизить нагрузку на начальные участки гашения энергии /водобойный бассейн/ перераспределив её на нижележащие участки крепления дна, с другой - более полно учесть условия сопряжения в пространственных условиях, в том числе формирование сбойных течений / 87, 100, 130, 160, 165, 198, 204-206/, которые в условиях концентрированной формы управления способствуют резкому снижению эффективности работы всей схемы управления. Как показывают предыдущие работы автора /7-19, 48, 49, 50, 119/ возникает, чего не было ранее, реальная возможность оценивать размеры крепления дна по их вкладу в процесс управления в составе крепления дна /9, 10, 12, 14, 15, 16, 18/ и создавать крепления разной сложности, обеспечивающих процесс управления течениями в широком диапазоне начальных условий сопряжения бьефов от околокритического ( 7г 4* 2*3) до донного (9 7г А 45).

Эффект управления по рассосредоточенной схеме обеспечивается за счёт расположения регулирующих элементов с управляемым процессом диссипации, в зависимости от начальных параметров потока ( 2 , ^Ик * ♦ ) в границах областей малых и наибольших поперечных градиентов I

/0Ы , Щ /д^ ), за пределами которых (ниже по течению) формируется устойчивая область планового растекания, обеспечивающая глобальное торможение потока, вовлекая в процесс как транзитную часть потока, так и вторичные течения / ^ , Лёьь» » /*

Подобная методика управления транзитным потоком в нижнем бьефе позволяет осуществлять прогнозируемый /расчётный/ процесс дисси-

-1Ъ~

пации энергии на участке формирования сбойных течений, где режим сопряжения близок к о коло критическому /0,4 4: 0,85/.

Использование переходных режимов сопряжения в качестве расчётных, позволяет с одной стороны учесть специфику формирования течений в нижнем бьефе, с другой - использовать для управления участки крепления, ранее не используемые для активного характера гашения избыточной энергии потока. При этом околокритические потоки, обладающие избыточной энергией и высокими скоростными характеристиками /8, 13, 14, 15, 16, 18 , 48-50 , 61, 74, 95 , 97, Ш, Ш, 151, 155, 177/ в большей степени, чем потоки меньшей кинетичности / Я* < 0,4/, обладающие меньшими величинами градиентов ( ^/ЗД , ,

Щ/дХ ) пригодны для процесса управления в пространственных условиях сопряжения бьефов»

Важным определяющим фактором, разрабатываемой в рамках данной работы методики управления течениями,становится правильная оценка, параметров расчётного режима сопряжения по длине крепления.

В связи с этим, в условиях формирования пространственного гидравлического прыжка, следует различать начальный режим сопряжения в границах водобойной части крепления, определяемой общим перепадом на сооружении ( ^/Нк » ) и последующий - формирующийся под воздействием вторичных течений ( , , , ) и элемен-

тов крепления дна ( ^/^ , , Яд) в границах участков

активного турбулентного перемешивания ( )•

При этом в процессе формирования простренственного гидравлического прыжка может иметь место в интервале 0,1 — ^ 0,8 формирование переходных околокритических течений, которые могут проявляться в виде периодических ( Тг^ ~ 0,5*0,8) и уединенных волн ( Тг 0,8), которые соответственно могут быть отнесены к околокритическим спокойным потокам /121, 151, 155, 177/,

Применение в качестве регулирующих элементов конструкций креп-

ления разработанных автором в виде прорезных уступов дна /9, 12, 13, 14, 15/ и универсальной конструкции рисбермы в виде продольных направляющих шпор, позволяет перевести процесс управления такого рода околокритическими течениями в практическую плоскость, либо как самостоятельную схему управления 2 £ ? н либо как составляющую 2 > ? и

Целью диссертационной работы является разработка на основе комплексных экспериментальных исследований новых методов управления течениями в нижнем бьефе, основанных на широком использовании в составе креплений - рисбермы и концевых устройств с управляемым процессом диссипации энергии, работающих в переходных режимах сопряжения бьефов, характерных для водопропускных сооружений в составе регулирующих гидроузлов, включая область применения и методику их гидравлического расчёта с учётом изменяющейся кинематики потока.

Научная новизна заключается в разработке, научном обосновании и подтверждении результатами исследований методов проектирования и расчётов элементов крепления дна разной сложности и состава на послепрыжковом участке, включая элементы констру�