Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 10
Глава 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПЛОТИН ИЗ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ БЕЗ ПРИМЕНЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО 14
1.1 Переливные грунтовые плотины с защитой от размыва каменной неброской при сооружении низко напорного гидроузла.. 14
1.1.1 Плотины из каменных материалов без применения вяжущего 14
1.1.2 Водосливные сооружения плотин различной конструкции 16
1.1.3 Применение переливных грунтовых плотин с защитой от размыва каменной набросков при сооружении низконапорного гидроузла 18
1.2 Методы расчета каменно-набросной защиты в зависимости от внешних факторов, воздействующих на гребень и откосы плотины... 23
1.2.1 Защита склонов земляных плотин 23
1.2.2 Возможность пропуска воды набросными плотинами 28
1.2.3 Пропуск паводковых расходов через недостроенные плотины с применением каменно-набросной защиты (предложен А. А. Ничипоровичем[61]) 31
1.2.4 Требования, предъявляемые к каменно-набросной защите в случае перелива потока через гребень плотины из грунта и камня 33
1.3 Методы расчета кривых свободной поверхности 35
1.4 Фильтрационные расчеты каменно-набросного материала... 38
1.5 Методы расчета кривых свободной поверхности на водосливах различного очертания 39
1.6 Цели и задачи исследования переливной грунтовой плотины с
защитой от размыва каменной набросков при сооружении низконапорного гидроузла 41
Глава 2 МЕТОД РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНОГО УКЛОНА КАМЕННО-НАБРОСНОГО БЫСТРОТОКА В СЛУЧАЕ НИЗКОНАПОРНОЙ ПЕРЕЛИВНОЙ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С
ЗАЩИТОЙ ОТ РАЗМЫВА ИЗ КАМЕННОЙ НАБРОСКИ 43
2.1 Математическая модель каменно-набросного быстротока в случае низконапорной переливной грунтовой плотины с защитой из каменной наброски 43
2.2 Определение линейного сопротивления при установившемся неравномерном резкоизменяющемся движении 46 2.3 Метод расчета оптимальных уклонов низового откоса переливной фунтовой плотины с защитой от размыва каменной набросков 57
2.3.1 Частное численное решение для уклона быстротока 57
2.3.2 Частное численное решение для кривой свободной поверхности 66
2.3.3 Предельный и оптимальный уклоны низового откоса переливной грунтовой плотины 73
2.3.4 Расчет предельных уклонов размываемого откоса
переливной грунтовой плотины с защитой из каменной наброски в случае низконапорного гидроузла 78
Глава 3 КРИТЕРИИ И МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТА ПЕРЕЛИВНОЙ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С ЗАЩИТОЙ ОТ РАЗМЫВА КАМЕННОЙ НАБРОСКОЙ В ЗАВИСИ МОСТИ ОТ СХЕМ ПЕРЕЛИВА ВОДНОГО ПОТОКА 82
3.1 Математическая модель быстротока, ложе которого выполнено из каменной наброски 82
3.1.1 Основное дифференциальное уравнение движения воды на быстротоке, ложе которого выполнено из каменной наброски 82
3.1.2 Критерии автоматизации расчета движения воды на быстротоке, ложе которого выполнено из каменной наброски 85
3.2 Схемы перелива потока через переливную грунтовую плотину с защитой от размыва каменной набросков 88
3.2.1 Классификация схем перелива при пропуске расчетного эксплуатационного расхода 88
3.2.2 Определение местоположения "нырка " 90
3.2.3 Классификация схем перелива в зависимости от уклона низового склона переливной плотины 92
3.3 Замечания о расчетах фильтрационной устойчивости переливной фунтовой плотины с защитой от размыва каменной на броской 94
Глава 4 АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТА ПЕРЕЛИВНОЙ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С ЗАЩИТОЙ ОТ РАЗМЫВА КАМЕННОЙ НАБРОСКОЙ 97
4.1 Алгоритм расчета предельных и оптимальных уклонов низового откоса переливной фунтовой плотины с защитой из каменной наброски 97
4.2 Расчет характерных глубин потока 103
4.3 Система автоматизированного расчета предельных уклонов низового откоса переливной грунтовой плотины с защитой из каменной наброски COS(calculation of the optimal slope) 104 Глава 5 ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕЛИВНОЙ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С ЗАЩИТОЙ ОТ РАЗМЫВА КАМЕННОЙ НАБРОСКОЙ 109
5.1 Лабораторные исследования переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной набросков 109
5.1.1 Цель и задачи исследований 109
5.1.2 Лабораторная база и методика проведения опытов 110
5.1.3 Результаты исследований быстротока на размываемом основании (короткий лоток) 112
5.1.4 Результаты исследований кривых свободной поверхности на переливной плотине с защитой каменной набросков (длинный лоток) 117
5.2 Анализ изменений, происходящих в теле плотин, выполненных из каменной наброски, под воздействием фильтрационного потока во времени 138
5.2.2 Хронологические изменения прочностных и фильтрационных свойств в теле плотины за годы эксплуатации 147
Рекомендации по проектированию переливных низконапорных грунтовых плотин с защитой от размыва каменной набросков в ситуации низконапорного гидроузла в условиях Нижегородской области 148
Заключение 152
Литература 154
Приложение 1
Акты внедрения результатов диссертационного исследования... 165
Приложение 2
Схемы переливных плотин из местных строительных материалов эксплуатировавшихся на территории СНГ 167
Приложение 3
Поверочный расчет плотины Чалковского межрайонного энергетического гидроузла 171
Приложение 4
Технико-экономическое сравнение переливной земляной плотины с защитой из каменной наброски с существующими сооружениями 183
Приложение 5
Листинг системы автоматизированного проектирования COS v. 1.1
Введение к работе
На территории России и в частности только в одной нашей Нижегородской области насчитывается свыше девяти тысяч малых рек. Гидрокомплексы и гидроузлы малых рек находятся в бедственном положении. Большинство сооружений разрушено, а остальные эксплуатируются без надлежащего ухода. Экономические программы по возрождению сельского хозяйства, экологические программы по возрождению р. Волги потребуют мероприятий, направленных на использование природных водных ресурсов для нужд собственника и государства. Использование водных ресурсов идет в данный момент по нескольким направлениям: водные или инженерные мелиорации; использование водных ресурсов, водных путей и др.
Строительство плотин и гидроузлов, как известно, требует больших экономических вложений. Большие объемы работ и сложности при возведении тела плотины являются порой практически непреодолимым препятствием. Разработка проектов сравнительно дешевых сооружений из местного материала является наиболее актуальным направлением в проектировании.
Предметом исследования является изучение процессов перелива, автоматизация инженерных расчетов геометрии водного потока и влияние его на конструкцию переливной грунтовой плотины с защитой каменной наброской.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и автоматизация расчета геометрии переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской, обусловленной взаимодействием водного потока с каменно-набросной защитой.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
-разработка и автоматизация методики расчета предельного уклона ка-менно-набросного быстротока в случае низконапорной переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской;
-разработка метода для определения геометрии кривых свободной поверхности потока на каменно-набросном быстротоке, учитывающих изменение сопротивления по длине при неравномерном резкоизменяющемся движении и фильтрационный расход в каменно-набросной защите;
-определение критериев и методов автоматизации расчета геометрии переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской;
-разработка системы для автоматизированного расчета геометрии переливной плотины;
-создание модели переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской и проведение лабораторных исследований;
-установление соответствия расчетных параметров геометрии переливающегося водного потока, полученной теоретически, с данными экспериментальных исследований;
-установление соответствия расчетных параметров геометрии переливной плотины с данными, полученными на размываемых моделях;
-проведение натурных исследований переливных плотин Ичалковского межрайонного энергетического гидроузла;
-выполнение поверочных расчетов переливной плотины Ичалковского гидроузла, расположенной в створе МГЭС, с целью оценки ее технического состояния.
Научная новизна работы заключается в разработке и автоматизации методики численного расчета геометрии водного потока, переливающегося через переливную грунтовую плотину с защитой от размыва каменной наброской, и методики расчета геометрии переливной плотины в зависимости от факторов переливающегося потока.
Практическая значимость состоит в конструировании совмещенного во-доподпорного и водосбросного сооружения - переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской для низконапорных гидроузлов с последующей автоматизацией расчета. Данное конструктивное решение плотины позволяет отказаться от дорогостоящих железобетонных водосбросов и водоспусков. При строительстве плотины используются только местные строитель 12 ные материалы, что сделает строительство низконапорных плотин экономичнее. При этом важно отметить, что расчетные методы, изложенные в работе, позволяют оценить техническое состояние уже существующих переливных плотин.
На защиту выносятся:
-инженерный метод расчета геометрии переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской, обусловленной взаимодействием с переливающимся водным потоком.
-система для автоматизированного расчета геометрии переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской, обусловленной взаимодействием с переливающимся водным потоком;
-результаты натурных и лабораторных исследований переливных плотин.
Работа состоит из пяти глав.
В первой главе предлагается обзор видов плотин из каменных материалов без применения вяжущего. Представляется материал по видам крепления склонов плотин и общие данные по расчету защитных креплений, классификация методов пропуска плотинами расходов, в том числе обращение к работам П.И. Гордиенко С.В. Избаша и Н.П. Пузыревского. Выполнено сравнение различных групп методов расчета каменно-набросной защиты по учету факторов» возникающих при переливе. Выявлены параметры, влияющие на прочностные характеристики плотины. Представлены методы интегрирования основного дифференциального уравнения неравномерного движения. Рассмотрены методы расчета турбулентной фильтрации в каменно-набросных сооружениях. Описаны существующие сооружения с подобной конструктивной схемой.
Во второй главе представлены методы расчета геометрии, как самого сооружения, так и кривой свободной поверхности переливающегося потока. В соответствии с параметрами и факторами, предложенными в первой главе. Изложена методика расчета кривых свободной поверхности с учетом изменения сопротивления по длине сооружения при резкоизменяющемся движении водного потока и распределения расходов между фильтрационным потока в каменно 13 набросной защите и поверхностным потоком. Предложен метод расчета предельного значения уклона низового откоса переливной плотины рассматриваемой конструкции при сооружении низконапорного гидроузла.
В третьей главе изложены критерии автоматизации метода расчета каменно-набросной защиты в зависимости от схем и факторов перелива. Выполнена классификация схем перелива через рассматриваемое сооружение. Рассмотрены методы расчета контактов каменно-набросной защиты и грунтового тела плотины.
В четвертой главе представлены блок схемы для описанных расчетных методик и составлена блок схема для расчетной системы, позволяющей выполнять расчет геометрии переливной плотины. Выполнено описание системы автоматизированного проектирования и ее системных требований.
В пятой главе представлены результаты лабораторных и натурных исследований переливной грунтовой плотины с защитой от размыва каменной наброской при сооружении низконапорного гидроузла. Представлены результаты экспериментов, произведенных на размываемых моделях в гидравлическом лотке, позволяющие оценить поведение каменно-набросной защиты и грунтового тела плотины при пропуске расчетного расхода. Изложены результаты исследования геометрии кривой свободной поверхности, выполненные на модели реального сооружения, плотины Ичалковского гидроузла. Произведено сравнение кривых, полученных теоретическим путем, и кривых, полученных лабораторно. Представлены результаты анализа изменений, происходящих в теле плотин, выполненных из каменной наброски, под воздействием фильтрационного потока во времени. Представленные натурные исследования, выполненные на водоподъемной плотине Ичалковского гидроузла, показывают изменение параметров тела каменной набросно-замывной плотины в течение достаточно длинного отрезка времени (1949-2004 гг.). Исследования данной плотины подтверждают надежность сооружений представляемого типа.
