автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Влияние гидравлических условий истечения потока на пропускную способность низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов

На правах рукописи

Ширяев Сергей Григорьевич

ВЛИЯНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ИСТЕЧЕНИЯ ПОТОКА НА ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ НИЗКОНАПОРНЫХ ЩИТОВЫХ ПЛОТИН РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

Специальность: 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2004

Работа выполнена на кафедре гидравлики и инженерной гидрологии ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Косиченко Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мордвинцев Михаил Миронович

кандидат технических наук, доцент Чеботарев Михаил Александрович

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «Ц»,ий.р^2004 г. в Л^ часов на заседании диссертационного совета Д 220.049.02 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Пушкинская 111, НГМА, (ауд. 236), (факс 45164).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан

2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Бондаренко В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На территории России протекает свыше 120 тыс. рек длиной более 10 км общей протяженностью свыше 2,3 млн. км. Протяженность речной сети, которая может быть использована для судоходства или лесосплава, превышает 400 тыс. км. Протяженность внутренних судоходных путей России (реки, каналы, водохранилища, озера) составляет около 100 тыс. км.

К числу главнейших шлюзованных рек, каналов, водохранилищ и систем относятся: канал имени Москвы, Волго-Донской канал, Северо-Двинская система, шлюзованные системы р. Волги, шлюзованные участки р. Дон с Цимлянским водохранилищем, pp. Москва, Северский Донец, Ока, Иртыш и др.

Большое распространение при шлюзовании получили в качестве регулирующего органа водосливы низконапорных щитовых плотин с поворотными фермами французского инженера Поаре. Построенные в конце XIX - начале XX века, они и в настоящее время используются при шлюзовании, обеспечивая судоходные глубины на подпертых участках рек. Только в бассейне Нижнего Дона работает 8 гидроузлов, в состав которых входят щитовые водосливные плотины Поаре: Кочетовский, Николаевский, Апаринский, Краснодонецкий и др.

С конца 70-х годов прошлого столетия подобная конструкция низконапорной щитовой плотины нашла применение не только на судоходных, но и на малых реках с максимальным расходом 1% обеспеченности до 400 м3/с. Детальные расчеты по обоснованию параметров такой конструкции щитовой плотины, выполненные в НГМА под руководством проф. В.А. Волосухина, обеспечили их достаточно широкое внедрение на малых реках в Республиках Татарстан, Марий Эл и др. Строительство щитовых водосливных плотин позволило использовать ресурсы малых рек этих регионов для целей водоснабжения, орошения, рекреации.

Достоинством ее использования является простота конструкции, высокий уровень безопасности плотины в случае паводка, быстрота разборки-сборки, возможность регулирования расходов на

сокая стоимость. Учитывая возможность быстрой разборки низконапорных щитовых плотин с освобождением всего сечения русла и продолжительный срок службы, применение их и в дальнейшем целесообразно, особенно в чрезвычайных ситуациях, для рек с высокой вероятностью катастрофических паводков и половодий.

Расчет пропускной способности щитовых плотин с поворотными фермами производится по известным формулам гидравлики как для водослива с тонкой стенкой, исходя из того, что водосливной фронт плотины должен быть достаточным для пропуска максимального паводкового расхода при данном подпорном уровне.

Имеющиеся в литературе зависимости для расчета пропускной способности таких плотин в условиях эксплуатации не полностью соответствуют характеру истечения через подобные водосливы. Несимметричность условий подхода потока к водосливу, а также повышенная шероховатость напорной грани и кромки щитов (обрастание водорослями, дрейсеной и пр.) оказывают дополнительное воздействие на переливающийся поток.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью изучения особенностей истечения через водосливные отверстия и получения расчетных зависимостей, которые бы наиболее полно отвечали условиям эксплуатации низконапорных щитовых плотин.

Цель исследований - изучение особенностей истечения и оценка пропускной способности низконапорных щитовых плотин с поворотными фермами типа Поаре речных гидроузлов при их эксплуатации.

В связи с поставленной целью были определены следующие задачи:

- анализ известных зависимостей для определения пропускной способности водосливов с тонкой стенкой;

- экспериментальное изучение влияния несимметричности условий подхода потока на коэффициент расхода водослива щитовой плотины;

- экспериментальные исследования влияния обрастания напорной грани и кромок водосливных отверстий на пропускную способность щитовых плотин;

- теоретические исследования истечения через водослив щитовых плотин при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа;

- натурные исследования для оценки пропускной способности щитовой плотины;.

- разработка рекомендаций по расчету пропускной способности щитовых плотин речных гидроузлов в различных условиях эксплуатации.

Научную новизну работы составляют:

- графические и эмпирические зависимости, полученные для коэффициентов расхода водослива щитовой плотины в условиях несимметричности и неравномерности сжатия потока;

- значения коэффициента влияния формы боковых стоек водосливных отверстий щитовой плотины, полученные в натурных условиях;.

- эмпирические зависимости коэффициента расхода при обрастании напорной грани и гребня водослива щитовой плотины;

- теоретические решения задач для различных схем истечения через водосливы щитовых плотин при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа;

- теоретические и эмпирические зависимости для определения коэффициента сжатия потока при истечении через водосливы щитовых плотин.

На защиту выносятся:

- результаты гидравлических исследований по уточнению коэффициентов расхода водосливных щитовых плотин в условиях несимметричного бокового и неравномерного вертикального сжатия потока;

- результаты гидравлических исследований по определению коэффициента сжатия водосливных щитовых плотин;

- полученные теоретические решения задач истечения через водослив щитовой плотины для различных схем эксплуатации;

- разработанные рекомендации по определению пропускной способности низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов при эксплуатации.

Достоверность подтверждается значительным объемом экспериментальных исследований водосливной щитовой плотины с применением аттестованных приборов и оборудования, а также проведением статистической обработки современными методами с применением ПЭВМ, сопоставлением экспериментальных и натурных значений коэффициентов расхода с: вычисленными по формулам Эгли, Базена, ВНИИГ, удовлетворительной сходимостью значений коэффициентов расхода и сжатия, полученных в результате экспериментальных, теоретических и натурных исследований.

Практическую ценность работы представляют:

- численные значения коэффициентов расхода и коэффициента влияния формы боковых стоек водосливных щитовых плотин;

- практические рекомендации по гидравлическому расчету низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов, которые позволяют уточнить их пропускную способность при эксплуатации;

- практические рекомендации по улучшению условий эксплуатации щитовых плотин, включающие оптимальные схемы открытия водосливных отверстий при пропуске меженного и паводкового расходов и работу нижнего бьефа.

Внедрение результатов. Предложенные теоретические и эмпирические зависимости и практические рекомендации по расчету пропускной способности использованы службой эксплуатации Апаринского гидроузла №2 СевероДонецкой шлюзованной системы на р. Северский Донец.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск 2000 г.), конференции, по-

священной 100-летию М.М. Скибы на кафедре гидравлики и инженерной гидрологии НГМА (Новочеркасск, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов НГМА (Новочеркасск, 2000-2003 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем составляет 184 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка, 20 таблиц, список литературы го 145 наименований, в т.ч. 15 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные задачи исследования, излагается научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов работы.

В первой главе приводится анализ современного состояния изученности вопроса по определению пропускной способности щитовой плотины и поставлены задачи дальнейших исследований.

Отмечается, что водосливная щитовая плотина типа Поаре находит применение не только на судоходных реках, но и на малых реках для поддержания необходимых глубин. Вопросами исследования низконапорных плотин речных гидроузлов занимались многие ученые: М.М. Гришин, И.М. Волков, Н.И. Ани-симов, Н.Н. Беляшевский, Н.П. Розанов, И.С. Румянцев, P.P. Чугаев, Г.М. Каганов, А.Н. Рахманов, Е.К. Рабкова, B.C. Лапшенков, В.Н. Шкура, Б.И. Сергеев, В.А Волосухин, Т.П. Кашарина, В.Л. Бондаренко, М.А. Чеботарев и многие другие исследователи. В монографии М.М. Мордвинцева (2001 г.) дан анализ различных конструкций плотин на малых реках, в том числе щитовых плотин с поворотными фермами Поаре.

Выявлено, что истечение через водосливную щитовую плотину при эксплуатации соответствует гидравлической схеме истечения через водослив с вертикальной тонкой стенкой при наличии бокового сжатия.

Водосливы с тонкой стенкой были предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых. Вопросами истечения через водосливы занимались с конца XVIII века и до настоящего времени многие ученые: Полепи, Эль-тейвейн, Эсканд, Буссинеск, Базен, Ребок, Френсис, Беланже, Гершель, Хортон, Паркер, И.И. Агроскин, Б. Абдеррезак, Б.А Бахметев, А.Р. Березинский, А.И. Богомолов, В.А. Большаков, В.И. Букреев, Е.А Гижа, Т.К. Дерюгин, В.Н. Евреинов,-Д.В. Кашарин, П.Г. Киселев, Ю.М Константинов, М.М. Мордвинцев, А.С. Офицеров, Н.Н. Павловский, Ф.И. Пикапов, Ф.Л. Поповьян, Г.Ф. Проскура, Е.К. Раб-кова, Н.П Розанов, И.С. Румянцев, ММ Скиба, ИМ Степанов, В.В. Смыслов, P.P. Чугаев, Д.В. Штеренлихт, Е.В. Шодер, В. Эйснер и др.

На основании анализа величин, входящих в формулу расхода установлено, что в условиях несимметричности подхода потока (открытие нескольких водосливных отверстий), а также в условиях повышенной шероховатости напорной грани и кромок водосливных отверстий при обрастании возникает необходимость в уточнении значений коэффициента сжатия и коэффициента расхода при истечении через водослив щитовых плотин.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Приведено описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки опытных данных. Была произведена оценка точности гомерений, а также сопоставление результатов расчета коэффициента расхода по эмпирическим формулам со значениями, полученными по зависимостям других авторов (Эгли, Базен, Френсис).

Экспериментальные исследования проводились на установке, представляющей собой модель щитовой плотины Поаре выполненной в масштабе 1:10. Модель представляет собой деревянную перегородку, размером (1х0,32 м), толщиной 0,01 м, в которой расположены 2 ряда щитов (0,08x0,1 м).

Всего было проведено 10 серий опытов, где определялись расходы, напоры, скорости движения воды, коэффициенты расхода, числа Рейнольдса и числа Фруда. Условия проведения опытов обеспечили свободный доступ воздуха под струю без подтопления со стороны нижнего бьефа; прилипшая струя при истечении через водослив не образовывалась.

В процессе проведенных лабораторных исследований расход на установке изменялся в пределах 0,00079...0,02555 м3/с, напор перед плотиной Н -0,0205...0,1597 м, относительный напор Н/Р - 0,104...0,333, числа Рейнольдса составляли - 11330...23443, числа Фруда - 0,0011 ...0,024.

Измерение расхода воды осуществлялось при помощи треугольного водослива-водомера Томсона, измерение глубины потока воды на модели осуществлялось при помощи шпиценмасштаба.

Точность измерения расхода составила до 2 %, напора до 3 %. Относительная ошибка в определении коэффициента расхода составила 2,05...4,88 %, расхода 1,02... 1,84 %, числа Фруда 0,44... 1,68 %, числа Рейнольдса 0,21... 1,45 %.

Условия проведения и данные опытов в верхнем бьефе обеспечили диапазон чисел Рейнольдса в пределах 1,Ы04...2,3-104, что позволило отнести исследуемое явление к автомодельной области по критерию Re и считать единственным определяющим критерием число Фруда для подобия осредненного течения.

Для определения влияния сжатия потока на пропускную способность водосливной щитовой плотины при работе нескольких водосливных отверстий на исследуемой модели были проведены 8 серий опытов при различных вариантах открытия щитов (рис. 1). Представленные схемы охватывают возможные типичные схемы истечения через щитовую плотину с боковым симметричным и несимметричным сжатием в горизонтальной плоскости и вертикальным сжатием равномерным и неравномерным в вертикальной плоскости по длине водосливного фронта.

В результате исследований были получены зависимости, учитывающие

1-я серия

а)

5-я серия (

Н=Н,=Н,

Р=Р,=Р3

■ Ь,

Ь;

Ь,

2-я серия 1=0,01 м

3-я серия

ь . с'» с, Ь, Ь2 с.

г-г-п н = 1=

р

» в 1 « в 1

Н=Н,=Н2 Р=Р,=Р,

» I

4-я серия I

ш

, Н=НгНгН,

Н=Н,:

Г Ь: с.

. * г

Н,

; н=н2 №

; р=р.

б)

6-я серия .1. *

с. С

в)

7-я серия

8-я серия

Ь,

Ь3 С» С' ь,

' ' **

Т Н=Н,=Н21-

н,=н,

Р=Р,=Р,

„Р.=Рз

Ъ3 с<

\р=р

с< Ь,

ь5 С'

Р2=Р3

Д) е) ж) з)

Рисунок 1 - Исследованные схемы для 8 серий опытов водосливной щитовой плотины

влияние изменения относительного напора на водосливе на коэффициент расхода с учетом скорости подхода и бокового сжатия (рис. 2, 3).

Анализ результатов исследований на рисунке 2 показывает, что для каждой серии опытов наблюдается весьма существенное снижение коэффициентов расхода с увеличением относительного напора на гребне водослива. Для 1-й серии опытов, когда работает одно водосливное отверстие, при изменении относительного напора с учетом скорости подхода Н/Р от 0,100 до 0,325 коэффициенты расхода снизились от 0,457 до 0,413, что составляет 9,6 %. Еще большее снижение коэффициентов расхода до 14,9 % имеет место для 2-й и 3-й серии опытов.

Влияние несимметричности сжатия потока во 2-й серии опытов при двух рядом расположенных отверстиях и, особенно, в 3-й серии опытов при трех рядом расположенных отверстиях, приводит к заметному повышению коэффициентов расхода по сравнению с симметричным сжатием в 1-й серии опытов с одним работающим отверстием в диапазоне 0,125<Я/У*<0,300 до 5,3 %. Однако влияние несимметричности бокового сжатия уже не сказывается при достаточно больших относительныхнапорахН/Р>0,30.

В случае неравномерного вертикального сжатия потока (4-я и другие серии опытов) (рис. 2, 3), когда кроме верхнего ряда включаются в работу отверстия нижнего ряда, наоборот, происходит значительное снижение коэффициентов расхода по сравнению с 1-й серией опытов до 11,0... 15,0 %.

В результате обработки опытных данных методом наименьших квадратов были получены графики, которые описывались зависимостями двух видов: линейной и степенной. Обработка всех данных проводилась на персональном компьютере с помощью пакета программ Microsoft Excel. Величина достоверности аппроксимации R2 составила от 0,867 до 0,966. За окончательные принимались зависимости, имеющие более высокую степень достоверности R2.

На основе компьютерной обработки опытных данных первых четырех серий (рис. 2) при истечении через водосливные отверстия щитовой плотины с учетом сжатия потока и скорости подхода при 0,\<Ь/В<0,3; 1,75<C/Yjb <4,50 были получены следующие зависимости:

-для 1-й серии тос = 0,477-0,196-

- для 2-й серии от = 0,498 - 0,258 ■

(1^=0,966);

(2)

(1)

/„ \ -0,138

- для 3-й серии тос = 0,356 ■

012=0,933);

(3)

ч

Р

-0,090

(Д2=0,922).

(4)

- для 4-й серииотое = 0,334 ■

В целом, на основании проведенных исследований можно сформулировать некоторые рекомендации по управлению водосливными отверстиями в период эксплуатации щитовой плотины:

1) наиболее выгодными схемами истечения с гидравлической точки зрения, обеспечивающими наибольшую пропускную способность водосливной плотины, является вариант открытия нескольких щитов верхнего 1-го ряда отверстий;

2) наиболее невыгодными схемами истечения с гидравлической точки зрения будут варианты неравномерного открытия щитов верхнего 1-го ряда и нижнего 2-го ряда отверстий, создающие условия неравномерного сжатия по вертикали и несимметричного бокового сжатия потока при подходе к водосливным отверстиям;

3) при пропуске больших расходов воды через щитовую плотину целесообразно последовательное равномерное открытие отверстий: сначала верхнего 1-го ряда, а затем нижнего 2-го ряда.

Кроме того, были проведены еще две серии опытов (9-я и 10-я серии) с целью изучения влияния повышенной шероховатости на пропускную способность водосливной щитовой плотины.

Лабораторные исследования по определению величины коэффициента расхода в условиях повышенной шероховатости напорной грани и гребня водосливной плотины (обрастание водорослями и мхом) выполнялись при открытии одного и двух водосливных отверстий. Ввиду сложности моделирования водо-

рослей в качестве первого приближения на модели использовался слой ваты, представляющий собой элемент шероховатости, похожий по структуре на натурные водоросли и мох. Проведенные пробные пуски воды показали, что искусственная шероховатость в виде наклеенного слоя ваты обладает определенной гибкостью и возможностью колебаний. Отсюда можно считать, что она удовлетворительно моделирует влияние обрастания водорослей и мха, образующихся на напорной грани и гребне щитов при эксплуатации плотины.

Результаты 9-й и 10-й серии опытов, полученные при изучении влияния обрастания поверхности напорной грани и кромки гребня водосливного отверстия на величшгу коэффициента расхода, представлены в графической форме (рис. 4).

0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300

Рисунок 4- Графики зависимости, тж для 9-й - 10-й серий опытов

В результате сопоставления значений коэффициентов расхода без обрастания и с обрастанием (рис. 2 и 4) можно сделать вывод о заметном снижении их значений при повышенной шероховатости в среднем на 5... 9 %.

Таким образом, обрастание существенно уменьшает пропускную способность щитовой плотины, что необходимо учитывать при ее эксплуатации.

С этой целью необходимо предусматривать периодическую очистку водосливных отверстий от обрастаний или увеличивать количество открываемых отверстий для обеспечения пропуска необходимого расхода.

На основашга обработки опытных данных коэффициента расхода при истечении через водосливные отверстия щитовой плотины с учетом повышенной шероховатости кромки водосливного отверстия при 0,1<й/В<0,3; 1,75<С/£6 <4,50 (рис. 4) получены зависимости:

Проведенное сопоставление значений коэффициентов расхода при одном водосливном отверстии по формулам автора и Эгли, учитывающим боковое сжатие, показывает что они практически совпадают при Н/Р>0,2, отклонение на превышает 0,5... 1,0 %. Более существенное отклонение до 5% получено при относительных напорах Н/Р<0,2.

В случае истечения через два водосливных отверстия отклонение т0 по

формуле Эгли с результатами, полученными по формуле автора (2) также не превышает 0,5 % для диапазона 0,150<Н/Р<0,300 и увеличивается до 3,3 % при При сравнении с формулой Базена (с учетом поправки Френсиса и Кригера) отклонение составляет в среднем 3...6 %. Таким образом, результаты проведенного сопоставления свидетельствуют практически о полном совпадении значений коэффициентов расхода по зависимостям автора для условий наличия бокового сжатия потока с формулой Эгли и близком совпадении с формулой Базена.

Сопоставление коэффициентов расхода для условий несимметричного бокового и неравномерного вертикального сжатия по формуле автора (4) с формулами Эгли и ВНИИГ показывают более существенные отклонения результатов, достигающие 8... 10 %. Такое несовпадение результатов обусловлено

- для 9-й серии тос = 0,459 - 0,170 ■ , (1^=0,959);

,иЛ-0,035 , -для 10-й серии и = 0,387 ■ — , (1Г=0,907).

(5)

(6)

неучетом в известных формулах влияния несимметричности и неравномерности сжатия потока. Поэтому в таких гидравлических условиях истечения через щитовую плотшгу наиболее приемлемой и целесообразной является формула автора (4).

Для установления полной картины истечения через водосливную стенку был изучен скоростной режим перед сооружением и в переливающейся струе для 1-й серии опытов. Гидравлический лоток был условно разделен на 3 створа в поперечном сечении, в которых через расстояние 0,2 м были намечены 4 вертикали, где пятиточечным способом определялись скорости движения потока при помощи комплекса измерительной аппаратуры с микровертушкой конструкции НГМА. Осредненные скорости в точках замерялись также на гребне плотины, на 2-х вертикалях, расположенных на расстоянии 0,033 м. Здесь использовался трехточечный способ измерения скоростей.

Анализ полученных результатов измерения осредненных скоростей при подходе потока к водосливному отверстию (рис. 5) свидетельствует об увеличении абсолютных значений средних скоростей от первого створа к третьему на 30... 37%.

® ® 0

Рисунок 5 - Эпюра распределения осредненных вертикальных скоростей потока при истечении через одно водосливное отверстие щитовой плотины в верхнем бьефе при (2=0,004 м3/с

Более неравномерным становится плановая эпюра распределения скоростей. Ос-редненные скорости в точке на гребне водосливного отверстия составляют 0,376...0,380 м/с и по сравнению с третьим створом возрастают примерно в 27 раз.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований. Были поставлены теоретические задачи истечения через водослив щитовой плотины и получены зависимости для расчета коэффициента сжатия в случае ряда практических схем истечения.

При решении теоретических задач использовались методы теории струй идеальной жидкости. Методы механики жидкости и теории струй подробно изложены в работах Г. Биркгофа, М.И. Гуревича, Л.Г. Лойцянского, Дж. Дейли и Д. Халермана, Б.Т. Емцева, А.Д. Гиргидова, П.Г. Киселева, X. Рауза, Л.И. Седова и других авторов. Методы решения гидравлических задач по течению плановых спокойных и бурных потоков рассматривались в работах И.А. Шеренкова, И.С. Румянцева, Л.И. Высоцкого, B.C. Боровкова, В.В. Лятхера, Б.Т. Емцева, М.А. Михалева, Я.Р. Бермана, В.Н. Коханенко, Ю.М. Косиченко и др. Используя эти методы, были решены две задачи с различными схемами истечения через водослив щитовой плотины.

Первая теоретическая задача была решена для истечения через водослив щитовой плотины при ограниченной ширине верхнего бьефа, когда работают несколько водосливных отверстий и ширина подводящего русла В является соизмеримой с шириной водосливного отверстия (рис. 6, а).

Воспользуемся методом Н.Е. Жуковского, согласно которого физическая область течения заменяется комплексной областью с переменной, выражаемой функцией вида

где uq - скорость на границе струи.

Рисунок 6 - Схема решения задачи истечения через водослив щитовой плотины при ограниченной ширине верхнего бьефа

Аналогично решению подобных задач по струйному обтеканию, предполагаем, что скорость на границах струи 1-3 и 2-3 при истечении через водослив

(рис. 6, а) будет равна Ц. В силу симметрии области течения рассматриваем ее нижнюю половину, ограниченной точками 0-3-2-5-47. При этом область течения в верхнем бьефе отделяется условной прямолинейной непроницаемой границей 4'-5 общей шириной потока В, разделяющей данное течение от соседних. Остальные допущения соответствуют общепринятым для теории струй.

Скорость потока в верхнем бьефе на бесконечности Уод и скорость струи в нижнем бьефе Ц соответственно принимаем равными:

где Q - расход потока жидкости через отдельное водосливное отверстие; Р -высота порога водослива; Н - напор на водосливе; Во - ширина потока в верхнем бьефе; Ь, -ширина струи в нижнем бьефе на бесконечности; ^ - высота вытекающей струи на бесконечности, принимаемая равной сжатой глубине потока в нижнем бьефе.

Дальнейшее решение задачи производится с помощью комфорного отображения области на вспомогательную полуплоскость а затем области на область комплексного потенциала (0 = <р + 1'у/ (рис. 6, б,в,г).

Используя интеграл Кристоффеля-Шварца, получаем:

где Л, B,C,D- комплексные постоянные.

Комплексную постоянную А найдем путем обхода точки £ = а по полуокружности малого радиуса г — (£" — а), постоянную В отбрасываем как несуществующую величину, а постоянные С и D находим из соответствия точек 0 и 2. Тогда после интегрирования уравнения (10) и (11) получат вид:

П = (С < !)■

(13)

Используя функцию Жуковского (7) и уравнения (12) и (13) после некоторых преобразований найдем выражение для комплексной скорости:

Таким образом, общее решение задачи о течении через водосливное отверстие щитовой плотины из ограниченной области (акватории) представляет собой уравнение (11) и (14).

В результате решения первой задачи автором была получена зависимость для определения коэффициента сжатия в виде:

(16)

Для определения параметров йи/!получены следующие уравнения:

Решение данных уравнений (17) и (18) проводится методом итераций. Из

уравнения (17) найдена приближенная зависимость для определения а в явном

Г \2

виде:

(19)

Вторая теоретическая задача решена при условии неограниченной ширины подводящего русла что имеет место, когда работает один водосливной пролет и значительно превышает ширину водосливного отверстия плотины.

В результате решения этой задачи коэффициент сжатия струи также определяется по формуле (15), где

Т^ГЛ--^гг (20)

В четвертой главе приведены результаты натурных исследований водосливной щитовой плотины с фермами Поаре, входящей в состав Апаринского гидроузла №2 Северо-Донецкой шлюзованной системы.

Натурные исследования пропускной способности водосливной щитовой плотины проводились в июне 2002 года на Апаринском гидроузле на р. Север-ский Донец в навигационный период, когда плотина находилась в условиях эксплуатации три месяца. Целью этих исследований было определение фактических значений коэффициентов расхода на основании измеренных гидрометрическим способом гидравлических характеристик водосливных отверстий сооружения и сравнение их с данными экспериментальных исследований.

Меженный расход в период проведения исследований пропускался:

- через одно отверстие в центре плотины на расстоянии 64 м от начала служебного мостика;

- через два открытых рядом отверстия, находящихся на расстоянии 27 м от начала служебного мостика.

В результате проведенных натурных исследований на водосливной щитовой плотине Апаринского гидроузла были получены значения коэффициента расхода и сделан сравнительный анализ между данными натурных исследований и расчетов по эмпирическим формулам (таблица 1).

Сопоставление натурных исследований коэффициентов расхода с расчетами по эмпирическим формулам (1) и (2) свидетельствует об их удовлетворительной сходимости. Отклонение коэффициентов расхода для одного и двух открытых отверстий по формулам (1) и (2) составляет 7,2... 8,4 %, что находится в пределах точности натурных исследований. Отклонение по формулам Эгли и Базена, учитывающим боковое сжатие, от натурных данных возрастает до

7,5... 12,1 %, что объясняется недоучетом в них особенностей истечения через

щитовые водосливные плотины.

Таблица 1- Сравнение коэффициентов тс натурных исследований с данными экспериментальных исследований и формулами других авторов

Схема эксплуатации сооружения Л Ч ж н О. Я о о К о га £ * о Значения коэффициента расхода Отклонения, %

По данным натурных исследований По эмпирическим зависимостям (1)и(2) По формулам Эгли (открытие одного отверстия) и Базена* (открытие двух отверстий)

Открытие одного водосливного отверстия 0,169 0,412 0,444 7,21 0,381 7,52

Открытие двух водосливных отверстий 0,180 0,414 0,452 8,41 0,364 12,08

*- учитывает боковое сжатие потока поправкой Френсиса и Кригера.

Кроме того, в натурных условиях определялись коэффициент сжатия при истечении через верх щитов и коэффициент влияния формы стоек плотины.

Коэффициент сжатия находился, как отношение (где - ширина

струи в сжатом сечении, Ь - ширина водосливного отверстия).

Ширина водосливного отверстия составляла Ь=1,33 м, а ширина струи в сжатом сечении - Коэффициент окатил получен равным

£=0,8!... 0,82.

Коэффициент влияния формы стоек для водосливной щитовой плотины рассчитывался по зависимости, полученной из формулы Френсиса-Кригера:

(21)

I Ь-{1-е) 0,1-п-Н0 '

где УЬ - суммарная ширина водосливного фронта; е - коэффициент сжатия; п -число сжатий; Но - напор на гребне водослива с учетом скорости подхода.

Натурные значения коэффициента влияния формы стоек ферм Поаре (толщиной г=0,1 м) Апаринского гидроузла составили в среднем £=¡,55.

В пятой главе предлагаются рекомендации по расчету пропускной способности водосливных щитовых плотин речных гидроузлов с использованием зависимостей, полученных как автором работы, так и другими исследователями. Приводятся примеры расчета по определению пропускной способности для различных условий эксплуатации. Дана оценка работы нижнего бьефа водосливных щитовых плотин, указаны способы уменьшения размывов и повышения надежности работы сооружения.

Водосливные плотины на малых реках, в отличие от судоходных, могут работать в подтопленном режиме истечения, что благоприятно сказывается на работе нижнего бьефа сооружения.

На основании проведенных исследований автором предложены рекомендации по улучшению эксплуатации щитовых плотин типа Поаре, включающие мероприятия по оптимальному управлению и маневрированию открытия щитов водосливной плотины. Их оптимизация при пропуске меженного и паводкового расхода состоит в следующем:

- при эксплуатации щитовых плотин необходимо открывать верхний ряд равномерно в средней части плотины для улучшения условий сопряжения потока с нижним бьефом. При этом снижается сбойность течения и размывающая способность потока;

- при повышении уровня воды в верхнем бьефе рекомендуется производить открытие сначала водосливных отверстий верхнего ряда, начиная от средней части плотины равномерно, не освобождая отдельные пролеты водосливных отверстий по вертикали, а затем нижнего ряда.

Эти мероприятия позволят улучшить условия сопряжения потока при переливе через плотину и значительно снизить затраты на укрепление нижнего бьефа при эксплуатации водосливных щитовых плотин.

На пропускную способность также влияют такие факторы как зарастание напорной грани и щитов плотины, а в северных районах - обледенение щитов и ферм плотины.

Зарастание щитов плотины водорослями происходит летом, когда плотина находится в эксплуатации несколько месяцев, причем обрастание водорослями начинается с крайних частей сооружения, поэтому в летний период необходимо чаще открывать крайние щиты плотины с целью уменьшения степени зарастания плотины.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Гидравлические условия работы водосливных щитовых плотин в меженный период характеризуются несимметричным боковым сжатием потока, а также неравномерным сжатием в вертикальной плоскости, влиянием боковых стоек, повышенной шероховатости напорной грани и кромок водосливных отверстий, и в ряде случаев, нижнего бьефа.

2. Влияние несимметричности бокового сжатия потока при истечении через водосливные отверстия щитовой плотины приводит к повышению коэффициентов расхода по сравнению с симметричным сжатием до 5,3 % при Н/Р<0,30. При этом коэффициенты расхода изменяются от 0,420 до 0,489.

3. Для схем истечения с работающим верхним рядом отверстий и одним-двумя отверстиями нижнего ряда при неравномерном вертикальном сжатии потока наблюдается значительное снижение коэффициентов расхода на 11,0... 15,0 %. Наименьшие значения коэффициентов расхода получены для схем истечения с несимметричным боковым и неравномерным вертикальным сжатием потока (0,370...0,386).

4. Повышенная шероховатость кромок водосливных отверстий при обрастании их водорослями и мхом в период эксплуатации приводит к заметному снижению коэффициентов расхода в среднем на 5...9 % и, следовательно, к существенному уменьшению пропускной способности щитовой плотины.

5. В результате математической обработки опытных данных на ПЭВМ получены эмшфические зависимости для определения коэффициентов расхода при истечении через 10 типовых схем работы водосливных отверстий щитовой плотины с нормальной и повышенной шероховатостью кромок. Сопоставление

результатов определения коэффициентов расхода в условиях симметричного сжатия потока с формулой Эгли показывает, что они практически полностью совпадают при Н/Р<0,2.

6. На основе использования теории струй идеальной жидкости решены задачи истечения через водослив щитовой плотины при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа и получены соответствующие теоретические зависимости для определения коэффициента сжатия.

7. В результате натурных исследований на Апаринском гидроузле №2 Се-веро-Донецкой шлюзованной системы получены значения коэффициентов расхода водосливной щитовой плотины Поаре для условий симметричного и несимметричного сжатия потока, которые дают удовлетворительную степень сходимости с эмпирическими зависимостями автора. Кроме того, определены натурные значения коэффициентов сжатия потока и влияния формы стоек щитовой плотины: (в среднем ), которые могут быть использованы при эксплуатации щитовых плотин с фермами Поаре.-

8. Разработаны рекомендации по гидравлическому расчету водосливных щитовых плотин речных гидроузлов. Проведена оценка работы нижнего бьефа водосливных щитовых плотин и указаны способы уменьшения размывов и повышения надежности работы сооружения при маневрировании щитами водосливной плотины. Данные рекомендации использованы на Апаринском гидроузле на р. Северский Донец. Расчетный ожидаемый экономический эффект составит 627 тыс. рублей в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ширяев С.Г. Применение теории струй идеальной жидкости для шуче-ния истечения через водослив плотины Поаре // Мелиорация антропогенных ландшафтов. Проблемы гидрологии, гидротехники и орошаемого зегш1еделия: С6.СТ./НГМА. - Новочеркасск 2002. - С. 62-73.

2. Ширяев С.Г. Экспериментальные исследования пропускной способности водослива плотины Поаре // Мелиорация антропогенных ландшафтов. Проблемы гидрологии, гидротехники и орошаемого земледелия: Сб.ст./НГМА. -Новочеркасск, 2002. -С. 73-75.

3. Косиченко Ю.М., Ширяев С.Г. Задача истечения через водослив плотины Поаре при ограниченной ширине верхнего бьефа // Гидротехническое строительство: Сб. ст./НГМА. - Новочеркасск 2003. - Вып.1. - С. 67-76. (автор -65%).

4. Ширяев С.Г. Натурные исследования пропускной способности водослива плотины Поаре на Апаринском гидроузле Северо-Донецкой шлюзованной системы // Проблемы водного хозяйства и мелиорации: Сб.ст./НИМИ. -Новочеркасск 2003г. - С. 15-21.

5. Ширяев С.Г. Экспериментальные исследования пропускной способно -сти водосливной плотины Поаре в различных условиях эксплуатации // Проблемы водного хозяйства и мелиорации: Сб.ст./НИМИ. - Новочеркасск 2003. -С. 21-34.

Подписано в печать 20.02.2004 г. Объем 1,0 п.л Формат 60x84 1/16. Тираж 100 экз. Заказ №52 Типография НГМА, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская 111, 346428

И-4294

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИЗУЧЕНИЮ ИСТЕЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВОДОСЛИВНЫЕ ЩИТОВЫЕ ПЛОТИНЫ

1.1 Описание конструкции водосливных щитовых плотин

1.1.1 Водосливная плотина с фермами инженера Поаре на судоходных реках

1.1.2 Водосливная плотина сборно-разборной конструкции на малых реках

1.2 Истечение через водосливные щитовые плотины

1.3 Анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований водослива с тонкой вертикальной стенкой

1.4 Исследования формы сливной струи и распределения давления и скоростей в струе

1.5 Изучение влияния глубины воды перед плотиной и затопления гребня на величину коэффициента расхода водослива

1.6 Изучение влияния бокового сжатия струи на пропускную способность водослива 39 Выводы по главе

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОСЛИВНЫХ ЩИТОВЫХ ПЛОТИН

2.1 Описание лабораторной установки, оборудования

2.2 Выбор масштаба модели щитовой плотины

2.3 Методика проведения исследований и состав опытов

2.4 Вопросы моделирования водосливной щитовой плотины и оценка погрешностей результатов экспериментов

2.5 Результаты экспериментальных исследований

2.5.1 Влияние несимметричности течения на коэффициенты расхода водосливной щитовой плотины

2.5.2 Влияние повышенной шероховатости напорной грани и кромки водосливного отверстия

2.5.3 Изучение скоростного режима при истечении через водосливное отверстие щитовой плотины 75 2.6 Результаты сопоставления полученных эмпирических формул с формулами других авторов 79 Выводы по главе

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВОДОСЛИВНУЮ ЩИТОВУЮ ПЛОТИНУ

3.1 Обоснование к теоретическим исследованиям. Принятые допущения

3.2 Задача истечения через водослив щитовой плотины при ограниченной ширине верхнего бьефа

3.3 Определение коэффициента сжатия при работе нескольких водосливных отверстий

3.4 Задача истечения через водослив щитовой плотины при неограниченной ширине верхнего бьефа и определение коэффициента сжатия 104 Выводы по главе

4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЩИТОВОЙ ПЛОТИНЫ ПОАРЕ АПАРИНСКОГО ГИДРОУЗЛА НА Р. СЕВЕРСКИЙ ДОНЕЦ

4.1 Описание Северо-Донецкой шлюзованной системы

4.2 Описание Апаринского гидроузла

4.3 Методика проведения натурных исследований

4.4 Результаты натурных исследований коэффициентов расхода щитовой плотины

4.5Натурное определение коэффициента влияния формы стоек водосливной щитовой плотины

Выводы по главе

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОСЛИВНЫХ ЩИТОВЫХ ПЛОТИН РЕЧНЫХ ГИДРОУЗЛОВ

5.Юсобенности гидравлического расчета низконапорной щитовой плотины в условиях эксплуатации на судоходных реках

5.2 Особенности гидравлического расчета низконапорной щитовой плотины в условиях эксплуатации на малых реках

5.3 Определение расхода воды, проходящего через щели при неплотном прилегании щитов плотины

5.4 Примеры гидравлического расчета щитовых плотин

5.5 Особенности эксплуатации нижнего бьефа водосливных щитовых плотин

Выводы по главе

Актуальность работы. На территории России протекает свыше 120 тыс. рек длиной более 10 км общей протяженностью свыше 2,3 млн. км. Протяженность речной сети, которая может быть использована для судоходства или лесосплава, превышает 400 тыс. км. Протяженность внутренних судоходных путей России (реки, каналы, водохранилища, озера) составляет около 100 тыс. км.

К числу главнейших шлюзованных рек, каналов, водохранилищ и систем относятся: канал имени Москвы, Волго-Донской канал, Северо-Двинская система, шлюзованные системы р. Волги, шлюзованные участки р. Дон с Цимлянским водохранилищем, pp. Москва, Северский Донец, Ока, Иртыш и

ДР. [4].

Большое распространение при шлюзовании получили в качестве регулирующего органа водосливы низконапорных щитовых плотин с поворотными фермами французского инженера Поаре. Построенные в конце XIX -начале XX века, они и в настоящее время используются при шлюзовании, обеспечивая судоходные глубины на подпертых участках рек. Только в бассейне Нижнего Дона работает 8 гидроузлов, в состав которых входят щитовые водосливные плотины Поаре: Кочетовский, Николаевский, Апаринский, Краснодонецкий и др.

С конца 70-х годов прошлого столетия подобная конструкция низконапорной щитовой плотины нашла применение не только на судоходных, но и на малых реках с максимальным расходом 1% обеспеченности до 400 м3/с. Детальные расчеты по обоснованию параметров такой конструкции щитовой плотины, выполненные в НГМА под руководством проф. В.А. Волосухина [23], обеспечили их достаточно широкое внедрение на малых реках в Республиках Татарстан, Марий-Эл и др. Строительство щитовых водосливных плотин позволило использовать ресурсы малых рек этих регионов для целей водоснабжения, орошения, рекреации.

Достоинством ее использования является простота конструкции, высокий уровень безопасности плотины в случае паводка, быстрота разборки-сборки, возможность регулирования расходов на плотине в широком диапазоне, невысокая стоимость. Учитывая возможность быстрой разборки низконапорных щитовых плотин с освобождением всего сечения русла и продолжительный срок службы, применение их и в дальнейшем целесообразно, особенно в чрезвычайных ситуациях, для рек с высокой вероятностью катастрофических паводков и половодий.

Расчет пропускной способности щитовых плотин с поворотными фермами производится по известным формулам гидравлики как для водослива с тонкой стенкой, исходя из того, что водосливной фронт плотины должен быть достаточным для пропуска максимального паводкового расхода при данном подпорном уровне.

Имеющиеся в литературе зависимости для расчета пропускной способности таких плотин в условиях эксплуатации не полностью соответствуют характеру истечения через подобные водосливы. Несимметричность условий подхода потока к водосливу, а также повышенная шероховатость напорной грани и кромки щитов (обрастание водорослями, дрейсеной и пр.) оказывают дополнительное воздействие на переливающийся поток.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью изучения особенностей истечения через водосливные отверстия и получения расчетных зависимостей, которые бы наиболее полно отвечали условиям эксплуатации низконапорных щитовых плотин.

Цель исследований - оценка влияния гидравлических условий истечения потока через гребень на пропускную способность низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов с поворотными фермами типа Поаре в современных условиях их эксплуатации.

В связи с поставленной целью были определены следующие задачи:

- анализ известных зависимостей для определения пропускной способности водосливов с тонкой стенкой;

- экспериментальное изучение влияния несимметричности условий подхода потока на коэффициент расхода водослива щитовой плотины;

- экспериментальные исследования влияния обрастания напорной грани и кромок водосливных отверстий на пропускную способность щитовых плотин;

- теоретические исследования истечения через водослив щитовых плотин при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа;

- натурные исследования для оценки пропускной способности щитовой плотины;

- разработка рекомендаций по расчету пропускной способности щитовых плотин речных гидроузлов в различных условиях эксплуатации.

Научную новизну работы составляют:

- графические и эмпирические зависимости, полученные для коэффициентов расхода водослива щитовой плотины в условиях несимметричности и неравномерности сжатия потока;

- значения коэффициента влияния формы боковых стоек водосливных отверстий щитовой плотины, полученные в натурных условиях;

- эмпирические зависимости коэффициента расхода при обрастании напорной грани и гребня водослива щитовой плотины;

- теоретические решения задач для различных схем истечения через водосливы щитовых плотин при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа;

- теоретические и эмпирические зависимости для определения коэффициента сжатия потока при истечении через водосливы щитовых плотин.

На защиту выносятся:

- результаты гидравлических исследований по уточнению коэффициентов расхода водосливных щитовых плотин в условиях несимметричного бокового и неравномерного вертикального сжатия потока;

- результаты гидравлических исследований по определению коэффициента сжатия водосливных щитовых плотин;

- полученные теоретические решения задач истечения через водослив щитовой плотины для различных схем эксплуатации;

- разработанные рекомендации по определению пропускной способности низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов при эксплуатации.

Достоверность подтверждается значительным объемом экспериментальных исследований водосливной щитовой плотины с применением аттестованных приборов и оборудования, а также проведением статистической обработки современными методами с применением ПЭВМ, сопоставлением экспериментальных и натурных значений коэффициентов расхода с вычисленными по формулам Эгли, Базена, ВНИИГ, удовлетворительной сходимостью значений коэффициентов расхода и сжатия, полученных в результате экспериментальных, теоретических и натурных исследований.

Практическую ценность работы представляют:

- численные значения коэффициентов расхода и коэффициента влияния формы боковых стоек водосливных щитовых плотин;

- практические рекомендации по гидравлическому расчету низконапорных щитовых плотин речных гидроузлов, которые позволяют уточнить их пропускную способность при эксплуатации;

- практические рекомендации по улучшению условий эксплуатации щитовых плотин, включающие оптимальные схемы открытия водосливных отверстий при пропуске меженного и паводкового расходов и работу нижнего бьефа.

Внедрение результатов. Предложенные теоретические и эмпирические зависимости и практические рекомендации по расчету пропускной способности использованы службой эксплуатации Апаринского гидроузла №2 Северо-Донецкой шлюзованной системы на р. Северский Донец.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) «Проблемы строительства и инженерной экологии» (Новочеркасск 2000 г.), конференции, посвященной 100-летию М.М. Скибы на кафедре гидравлики и инженерной гидрологии НГМА (Новочеркасск, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов НГМА (Новочеркасск, 2000-2003 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем составляет 184 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка, 20 таблиц, список литературы из 145 наименований, в т.ч. 15 иностранных авторов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Гидравлические условия работы водосливных щитовых плотин в меженный период характеризуются несимметричным боковым сжатием потока, а также неравномерным сжатием в вертикальной плоскости, влиянием боковых стоек, повышенной шероховатости напорной грани и кромок водосливных отверстий, и в ряде случаев, нижнего бьефа.

2. Влияние несимметричности бокового сжатия потока при истечении через водосливные отверстия щитовой плотины приводит к повышению коэффициентов расхода по сравнению с симметричным сжатием до 5,3 % при Н/Р<0,30. При этом коэффициенты расхода изменяются от 0,420 до 0,489.

3. Для схем истечения с работающим верхним рядом отверстий и од-ним-двумя отверстиями нижнего ряда при неравномерном вертикальном сжатии потока наблюдается значительное снижение коэффициентов расхода на 11,0. 15,0 %. Наименьшие значения коэффициентов расхода получены для схем истечения с несимметричным боковым и неравномерным вертикальным сжатием потока (0,370. .0,386).

4. Повышенная шероховатость кромок водосливных отверстий при обрастании их водорослями и мхом в период эксплуатации приводит к заметному снижению коэффициентов расхода в среднем на 5.9 % и, следовательно, к существенному уменьшению пропускной способности щитовой плотины.

5. В результате математической обработки опытных данных на ПЭВМ получены эмпирические зависимости для определения коэффициентов расхода при истечении через 10 типовых схем работы водосливных отверстий щитовой плотины с нормальной и повышенной шероховатостью кромок. Сопоставление результатов определения коэффициентов расхода в условиях симметричного сжатия потока с формулой Эгли показывает, что они практически полностью совпадают при Н/Р<0,2.

6. На основе использования теории струй идеальной жидкости решены задачи истечения через водослив щитовой плотины при ограниченной и неограниченной ширине верхнего бьефа и получены соответствующие теоретические зависимости для определения коэффициента сжатия.

7. В результате натурных исследований на Апаринском гидроузле №2 Северо-Донецкой шлюзованной системы получены значения коэффициентов расхода водосливной щитовой плотины Поаре для условий симметричного и несимметричного сжатия потока, которые дают удовлетворительную степень сходимости с эмпирическими зависимостями автора. Кроме того, определены натурные значения коэффициентов сжатия потока и влияния формы стоек щитовой плотины: г = 0,8] + 0,82, £ = 1,44 + 1,62 (в среднем £ = 1,55), которые могут быть использованы при эксплуатации щитовых плотин с фермами Поаре.

8. Разработаны рекомендации по гидравлическому расчету водосливных щитовых плотин речных гидроузлов. Проведена оценка работы нижнего бьефа водосливных щитовых плотин и указаны способы уменьшения размывов и повышения надежности работы сооружения при маневрировании щитами водосливной плотины. Данные рекомендации использованы на Апаринском гидроузле на р. Северский Донец. Расчетный ожидаемый экономический эффект составит 627 тыс. рублей в год.

1. Абдеррезак Б. Пропускная способность треугольного водослива практического профиля: Автореф. дис. .к-та техн. наук. М, 1996. 23 с.

2. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикапов Ф.И. Гидравлика. М.: Энергия, 1964.-352 с.

3. Анисимов Н.И. Плотины. М.: Изд.-во Мин. Реч. Флота СССР , 1947.- 203 с.

4. Афанасов В.Н., Семенов П.И. и др. Шлюзованные водные пути и порты. Л.: Речной транспорт, 1957. - 384 с.

5. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1978.-319с.

6. Ашур Амар. Пропускная способность водосливов практического профиля полигонального очертания при свободном и подтопленном истечении: Автореф. дис. к-та техн. наук. М, 1993. 26 с.

7. Бахметев Б.А. Гидравлика. М.: Кубуч, 1934. - 248 с.

8. Беляшевский Н.Н. Гидравлический расчет русловых плотин, оборудованных крышевидными затворами. Киев, 1977. - 5 с.

9. Березинский А.Р. Гидротехнические сооружения. М: Энергия, 1965.- 185 с.

10. Березинский А.Р. Пропускная способность водослива с широким порогом. М: Стройиздат, 1950. - 185 с.

11. Березинский А.Р. Пропускная способность водосливов // Гидротехническое строительство. 1951. - №3. - С. 29-35.

12. Биркгоф Г. Гидродинамика. Постановка задач, результаты и подобие / Под ред. М.И. Гуревича. М.: Изд.-во Иностр. Лит., 1954. - 183 с.

13. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. М.: Мир, 1964.-406 с.

14. Н.Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.

15. Большаков В.А. Критерий затопления водосливов: Сб.науч. трудов / Томского университета. Томск:, 1958. - Т.З.- С. 10-18.

16. Большаков В.А. Справочник по гидравлическим расчетам. Киев: Вища школа, 1984. - 343 с.

17. Бондарчук М.А. Разработка методов защиты прибрежных территорий в устьях рек от нагонных явлений: Автореф. дис. к-та техн. на-ук.05.23.07.,05.23.16. М, 2003. 27 с.

18. Букреев В.И., Ванькова Е.В., Пучкин Д.А. Эмпирическая формула для перепада уровней на водосливе с острым ребром // Гидротехническое строительство. 1999. - №2. - С. 32-34.

19. Водные ресурсы / A.M. Никаноров, Ю.А. Жданов, Н.Г. Родзянко, И.Т. Серебрякова; Под ред. A.M. Никанорова. Ростов.: Изд.-во Ростовского университета, 1981. - 247с.

20. Водоподъемные плотины разборной конструкции при водозаборах на7реках с расходом до 100 м /с:Утв. и введ. в действие Министерством рыбного хозяйства СССР с 24.02.83 /Разраб. ГП4 Гидрорыбпроект. -Киев: ЦИТП, 1986. 34 с. (Типовое решение 413-01-30.84).

21. Волков ИМ., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К. Гидротехнические сооружения. М., 1968. - 464 с.

22. Волосухин В.А., Бондаренко А.В. Тканевые конструкции в водном хозяйстве. Новочеркасск, 1994. - 100 с.

23. Волосухин В.А., Русин И.А., Яицкий Л.В. Расчет и проектирование сборных водоподъемных плотин. Новочеркасск, 2001. - 93 с.

24. Вощин А.П., Иванов А.З. Методы обработки экспериментальных данных.-М.: МЭИ, 1977.-67 с.

25. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие / Д.Д. Лаппо, А.Б. Векслер, Т.Г. Войнич

26. Сяноженцкий; Под ред. А.Б. Векслера. М.: Энергоатомиздат, 1988.624 с.

27. Гидравлика. Ч. 1 / Ред. Ивашинцов Р.А., Векслер А.Б. // Изв. ВНИИГ, 1997.-465 с.

28. Гижа Е.А., Константинов Ю.М. Совместное влияние бокового подхода и наклона водослива с тонкой стенкой на его пропускную способность. В кн.: Гидравлика и гидротехника. - К.: Технжа, 1981. - Вып. 33. - С. 11-17.

29. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М: Изд.-во физико-математической литературы, 1962.- 1100 с.

30. Государственный водный кадастр PI. Т1. РСФСР. Вып.З. Бассейн Дона. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 560 с.

31. Григорьев H.JI. Гидравлика. М.: Морской транспорт, 1958. - 318 с.

32. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. 4.2. М.: Госстройиз-дат, 1979.-336 с.

33. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости. М.: Наука, 1979. -496 с.

34. Дейли Дж., Халерман Д. Механика жидкости / Пер. с англ.; Под ред. Чл.-корр. АН СССР Васильева О.Ф.-М: Энергия, 1971.-232 с.

35. Дерюгин Г.К. Общий способ определения коэффициентов расхода прямого прямоугольного водослива при отсутствии бокового сжатия и свободном доступе воздуха под струю // Известия ВНИИГ. 1971. -№96. - С. 47-53.

36. Дерюгин Г.К. Пропускная способность прямых прямоугольных не-подтопленных водосливов в пространственных условиях // Известия ВНИИГ. 1971. - №96. - С. 35-47.

37. Дуванская Е.В. Расчет потенциального движения двухмерных стационарных, спокойных потоков: Автореф. дисс.к-та техн. наук. 05.23.16. Новочеркасск 2003. 22 с.

38. Дуйшев Э. Исследования по теории водосливов: Автореф. дисс.канд. техн. наук. 05.23.16. Фрунзе, 1958. -26 с.

39. Дьяченко В.Б., Бондаренко B.JI. Теоретические основы оценки уровня безопасности водоподпорных гидротехнических сооружений // Водное хозяйство России. 2001. - №2. - С. 159-162.

40. Евреинов В.Н. Гидравлика. Л.: Изд.-во речного флота СССР, 1974. -740 с.

41. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М: Машиностроение, 1987. -483 с.

42. Железняков Г.В., Овчаров Е.Е. Инженерная гидрология и регулирование стока. -М.: Колос, 1993. 464 с.

43. Иванова Е.О. Моделирование водосливной плотины // Тр. Map. гос. тех. ун-та. 1996. - №3. - С.48.

44. Ивашинцов Д.А., Векслер А.Б., Климович В.И., Шванштейн A.M. Современные подходы в гидравлических исследованиях гидротехнических сооружений и водотоков // Гидротехническое строительство. -2003. №8. -С. 28-37.

45. Кашарин Д.В. Гидравлические условия работы подпорно-аэрационных регулирующих сооружений для малых водотоков: Автореф. дис.к-та техн. наук. 05.23.16. Новочеркасск, 1999. -26 с.

46. Киселев О.М. Течение тяжелой жидкости через полигональное препятствие. Казань: КГУ, 1964. - 324 с.

47. Киселев П.Г. Основы механики жидкости: Учебное пособие. М.: Энергия, 1980.-360 с.

48. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1972.-313 с.

49. Кольченко O.JI. Управление кинематической структурой двухмерного потока за трубчатыми водосбросными сооружениями: Автореф. дисс. .канд.техн.наук. Киев, 1987. 23 с.

50. Козлов Д.А. Теоретическое исследование влияния разделения потока в верхнем бьефе на донное течение // Известия вузов. 1974. - №7. -С. 106-112.

51. Константинов Ю.М. Гидравлика. Киев: Вища школа, 1981. - 357 с.

52. Косиченко Ю.М., Степанов П.М., Храпковский В.А. Гидравлика. -Новочеркасск, НГМА, 1997. 90 с.

53. Косиченко Ю.М., Ширяев С.Г., Задача истечения через водослив плотины Поаре при ограниченной ширине верхнего бьефа // Гидротехническое строительство: Сб. научных работ / НГМА. Новочеркасск, 2003.-Вып. 1. - С. 67-76.

54. Косолапов А.Н. Региональные проблемы комплексного использования и охрана водных ресурсов: Учебное пособие. — Новочеркасск, 1998.-226 с.

55. Коханенко В.Н., Косиченко Ю.М., Дуванская Е.В. Методы решения гидравлических задач по течению плановых спокойных стационарных потоков воды // ЮРТУЭС. Шахты, 2003. - 67 с.

56. Коханенко В.Н., Дуванская Е.В. Вывод уравнений движения спокойного стационарного планового потока воды в плоскости годографа скорости // Новые технологии управления движением технических объектов. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 75-79.

57. Коэффициент расхода при истечении идеальной жидкости из вертикального щелевого отверстия / Смирнов С.А., Булкин В.А., Реут В.И., Егоров А.Г. // Тематический сб. науч. тр. Вестника КГТУ: Мастер Лайн, 1998,-С. 75-82.

58. Кременецкий Н.Н., Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергия, 1980.-384 с.

59. Кузнецов С.К. Теория и гидравлические расчеты нижнего бьефа. -Львов: Вища школа, 1983. 176 с.

60. Кузьминых О.М. Исследования коэффициента расхода водослива практического профиля // Тр. Map. гос. тех. ун-та. 1996. - №3. - С. 45.

61. Лаврик В.И., Савенков В.Н. Справочник по комфорным отображениям. Киев: Наукова думка, 1970. - 252 с.

62. Лаврик В.И., Фильчакова В. П., Яшин А.А. Комфорные отображения физико-топологических моделей. Киев: Наукова думка, 1990. - 374 с.

63. Ларьков В.М. Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов (с глухими плотинами): Учебное пособие. Минск: Урожай, 1990. -340 с.

64. Лапшенков B.C., Отверченко Н.К., Мордвинцев М.М., Богуславская Т.А. Место и значение гидротехнических сооружений в системе водоохранных мероприятий на малых реках // Экологические основы природопользования в бассейне Дона. Воронеж, 1991. - С. 29-34.

65. Лапшенков B.C. Прогнозирование русловых деформаций в бьефах речных гидроузлов. Л., 1979. - 239 с.

66. Лапшенков B.C., Рыковская Н.В. Водоподъемная плотина для малых и средних рек // Гидротехника и мелиорация. 1986. - №8. - С. 31-35.

67. Лапшенков B.C. Теория и гидравлические расчеты нижнего бьефа // Гидротехническое строительство. 1998. - №3. - С. 25-31.

68. Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. Л.: Энергия,1967.-254 с.

69. Лозановская И.Н. История мелиорации. Новочеркасск, 1997. - 117 с.

70. Лятхер В.М. Турбулентность в гидросооружениях. М: Энергия,1968.-293 с.

71. Лятхер В.М., Прудовский A.M. Гидравлическое моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 330 с.

72. Маслов Б.С., Колганов А.В. и др. История мелиорации в России. -Том 2.-М.: ФГНУ Росинформагротех, 2002. 528 с.

73. Мордвинцев М.М. Речные водохозяйственные системы на малых степных реках. Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2001. - 382 с.

74. Офицеров А.С. Быки и пропускная способность водослива // Гидротехническое строительство. 1940. - №4. - С. 23-25.

75. Офицеров А.С. Гидравлика водослива. M.-JL: ОНТИ, 1938. - 324 с.

76. Офицеров А.С. Профиль водосливных плотин. M.-JL: ОНТИ, 1935. — 123 с.

77. Офицеров А.С. Расчет пропускной способности водослива практического профиля // Тр. гидравл. лаб. ВНИИ Водгео. М.: Стройиздат. -1948. - №2.-С. 56-59.

78. Павловский Н.Н. Гидравлический справочник. M.-JL: ОНТИ, 1937. -890 с.

79. Петров И.А. О пропускной способности водослива практического профиля в пространственных условиях // Труды МИСИ. 1958. -№24.-С. 44-48.

80. Проворова Т.П. О расчете местного размыва в случае донного режима течения за водосбросным сооружением // Гидротехническое строительство. 1999. - №4. - С. 33-37.

81. Проворова Т.П. Основные причины повреждений конструкции нижнего бьефа // Гидротехническое строительство. 2002. - №6. - С. 1623.

82. Поповьян Ф.Л. Теоретические и экспериментальные исследования круговых, параболических и трапецеидальных водосливов (свободных и подтопленных): Авт. дис. канд. техн. наук. 05.23.16. Новочеркасск, 1968.-24 с.

83. Проскура Г.Ф. Теория тонкостенного водослива без бокового сжатия // Гидротехническое строительство. 1931. - №5. - С. 16-22.

84. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП 1125-80)/ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М: Стройиздат, 1986. - 216 с.

85. Рабкова Е.К. Проектирование речных сооружений низконапорных гидроузлов: Учебное пособие. М.: Изд.-во Университета дружбы народов, 1990. - 67 с.

86. Рассказов JI.H., Орехов В.Г. Гидротехнические сооружения. В 2-х ч. Ч. 1. М.: Стройиздат, 1996. - 435 с.

87. Рауз X. Механика жидкости для инженеров-гидротехников. M.-JI: Госэнергоиздат, 1958. - 368 с.

88. Рауз X. Механика жидкости. М: Стройиздат, 1967. - 390 с.91 .Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. В 2-х ч. Ч. 1. Прямые водосливы. JL: Энергия, 1974. - 37 с.

89. Римкус А.А. Гидромеханический расчет очертания напорных и безнапорных водосбросов // Гидротехническое строительство. 1971. -№5.-С. 36 - 39.

90. Розанов Н.П. Вопросы проектирования водопропускных сооружений, работающих в условиях вакуума и при больших скоростях. M.-J1.: Госэнергоиздат, 1959. - 208 с.

91. Розанов Н.П. и др. Гидротехнические сооружения / Под ред. М.П. Розанова: Учебное пособие. М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с.

92. Руководство по гидравлическим расчетам речных гидроузлов. М.: Союзводпроект, 1980. - 147 с.

93. Румянцев И.С. Страницы истории российской гидротехники. М.: МГУП, 1999.-211 с.

94. Рыбкин А.А., Рывкин А.З., Хренов Л.С. Справочник по математике. -М: Высшая школа, 1975. 554 с.

95. Рядова З.И. Истечение через водослив с широким порогом: Автореф. дис. к-татехн. наук. 05.23.16. Ташкент, 1963. -30 с.

96. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. M.-JL: Гос-техиздат, 1951. - 28 с.

97. Сергеев Б.И. Облегченные гидротехнические сооружения: Учебное пособие. Днепропетровск, 1984.- 101 с.

98. Скиба М.М. Гидравлика сопряжения бьефов: Авт. дис. д-ра техн. наук.05.23.16. Новочеркасск, 1960. 53 с.

99. Скиба М.М. Теория движения жидкости через водослив с широким порогом // Известия ЮжНИИГиМ, 1935. Вып. 3-4. - С. 16-24.

100. Смыслов В.В. Теория водослива с широким порогом. Киев: АН УССР, 1956.- 184 с.

101. СНиП 2.02.01 86 Основания гидротехнических сооружений / Госстрой СССР. - М.: ЦИПТ Госстроя СССР, 1986. - 48 с.

102. СНиП 2.06.01 86 Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования / Госстрой СССР. - М.: ЦИПТ Госстроя СССР, 1987.-32 с.

103. Юб.СНиП П-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой СССР. М: Стройиздат, 1983. - 31 с.

104. СН 2-57. Нормы и технические условия для расчета максимальных расходов воды при проектировании гидротехнических сооружений на реках. М., 1958.

105. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г.Киселева. -М.: Энергия, 1972.-312 с.

106. Степанов П.М., Санчес-Каррион B.C., Кондюрина Т.А. К вопросу о выборе очертания подходной части водосбросных и водоприемных сооружений // Гидравлика сооружений оросительных систем. Новочеркасск, 1975. - Вып. 5. - С. 61-66.

107. Стефанишин Д.В. Некоторые теоретические аспекты оценки старения гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. -1996. №9.-С. 21-24.

108. Студеничников Б.И. Пропуск паводковых расходов через недостроенные каменно-набросные плотины. Труды лаборатории гидротехнических сооружений ВОДГЕО. - Сб. 12, 1968. - С. 23-26.

109. Тимофеев А.В. Расчет щелевого водослива на входной части быстротока // Тр. Map. гос. тех. ун-та. 1996. - №3. - С. 46.

110. Устройство нижнего бьефа водосбросов / Розанов Н.П., Кавешников Н.Т., Китов Е.И. и др. М.: Колос, 1984. -280 с.

111. Фидман Б.А. Измерение турбулентности водных потоков // Вопросы гидрологического приборостроения. Л: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 190-195.

112. Хохлова Л.Л. Исследования коэффициента расхода водослива с широким порогом // Тр. Map. гос. тех. ун-та. 1996. - №3. - С. 45.

113. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

114. Чугаев P.P. Гидравлические термины. М.: Высшая школа, 1974. -104 с.

115. Чугаев P.P. Гидротехнические сооружения. Водосливные плотины. М.: Агропромиздат, 1985. - 302 с.

116. Чугаев P.P. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений. Гидравлические расчеты водосливов, 1952. -68 с.

117. Шарп Дж. Гидравлическое моделирование / Пер. с англ. Яскина JI.A.; Под ред. Григоряна С.С. М.: Мир, 1984. - 280 с.

118. Шелих Мохтар. Пропускная способность боковых и кособоковых вакуумных водосливов: Автореф. дис. к-та техн. наук. 05.14.19. М., 1986.-21 с.

119. Ширяев С.Г. Натурные исследования пропускной способности водослива плотины Поаре на Апаринском гидроузле Северо-Донецкой шлюзованной системы//Проблемы водного хозяйства в мелиорации: Сб.ст./НИМИ. Новочеркасск 2003г. - С. 15-21.

120. Ширяев С.Г. Экспериментальные исследования пропускной способности водосливной плотины Поаре в различных условиях эксплуата-ции//Проблемы водного хозяйства в мелиорации: Сб.ст./НИМИ. -Новочеркасск 2003. С. 21-34.

121. Штеренлихт В.Д. Совершенствование методов расчетного обоснования входных оголовков закрытых водопропускных сооружений: Автореф. дис. к-татехн. наук. 05.23.07., 05.23.16. М., 2002. 26 с.

122. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 639 с.

123. Эйснер В. Экспериментальная гидравлика сооружений и открытыхрусел / Пер с нем. C.JI. Егорова и Б.А.Фидмана.-М.-Л.:ГЭИ,1937. -252 с.

124. Яковлева Л.В. Практикум по гидравлике. М.: Агропромиздат, 1990. - 144 с.

125. A revised арр roach to the numerical computation of the critical flow over a weir / Mejak George // 19 th Int. Congr. Theor. And Appl. Mech., Kyoto, Aug. 25-31, 1996.-vol. 52.

126. Bazen H. Experiences nouvelles sur I'ecoulement par deversoir. (Paris. -1898.- 151 c.).

127. Eisner F. Ueberfallversuche in verschiedener Modellgrosse. (Preussische Versuchsanstalt fur Wasserbrau und Schiffbau. - Berlin. - 1933).

128. Escande. Etude sur les barrages-deversants a fente aspiratrice. (Le Genie Civil. - 1952. - 15 Avril 1951, 15 Avril et ler Mai).

129. Escande et Sanannes. Etude des seuils deversants a fente aspiratrice. (La Houille Blanche. - 1959. - Decembre, № B).

130. Etude de la structure d'un e coulement forme parla rencontre d'un jet issu d'une fente arec un ecoulement transversal perpendiculaire / Blanchard Jean-Noel, Brunet Yves // C.r. Acad. sci. Ser. 2. Fasc. 1. 1996. - vol. 247-254.

131. Jonson J.G. On turbulence in open channels flow Statistical theori applied to micropropeller measurement. (Acta polichnica Scandinfvia. - 1965. -P. 35-52.).

132. Juniewicz. Sur l'adaptation de formes profilees pour la protection des barrages contre les affouillements. (La Houille Blanche. - 1964. - № 3).

133. Koch A. and Carstanjen M. Bewegung des Wassers. (Springer. - 1926, Berlin).

134. Overflow characteristics of cylindrical weirs / Chanson Hubert, Montes J.S. // Bull./ Univ. Qulensl. Dep. Civ. Eng. 1997 - NCE 154. - Cvar. Pag

135. Rehbock Th. (Trans. A.S.C.E. - 1929).

136. Rehbock Th . (Wassermessung mit scharfkantigen Uberfallwehren. - Zd. VDFBd73.- 1929. -№24).

137. Schoder E.W. and Terner K.B. Precise Weir Measurements. (Trans. A.S.C.E.- 1929.-vol. 93).

138. The theory of proportional weirs / Murthy K. Keshava // J. Indian Inst. Sci. 1995, №4.-vol. 355-372.

139. Transcritical weir flow / Leutheusser H.J., Fan J.J. // Z. angew. Math. Und Mech. 1995. - vol. 343-344.