Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Краткая характеристика гидрологических параметров потоков на горных реках Азербайджанской ССР
1.1. Краткий очерк природных условий 10
1.2. Классификация рек по типам горных потоков 1 1.3. Краткая характеристика режима твердого стока горных рек 10 Глава 2. Краткий анализ конструктивных и гидравлических особенностей существующих водозабврных сооружений на горных реках 2.1. Основные требования,предъявляемые к водозаборным сооружениям на горных реках... 25 2.2. Анализ характерных конструкций водозабор-ных сооружений на горных реках *э 2.3. Основные выводы и классификация горных водозаборных сооружений. 4о Глава 3. Конструктивные особенности и гидравлические исследования регуляционного сооружения с совмещенным водозабором. 3.1. Задачи и методика исследований 50 3.2. Формирование бьефов при регулировании их системой запруд эо 3.3. Конструктивные и гидравлические особенности регуляционного сооружения с совме- ао щенным водозабором 3.4. Опытные установки и организация лабора- с„ торных исследований ь' 3.5. Определение пропускной способности пред- по латаемого, сооружения и 3.6. Деление потока воды в нижнем бьефе сооружения при движении ее по горизонтальной плоскости гребня плотины и по водо-направляющему козырьку под углом с* 7' 3.7. Гидравлический расчет водозахватного тракта 81 3.8. Расчет водоприемной галереи 85 3.9. Качественная и количественная характеристики работы водозабора при наносном режиме 92 3.10.Исследования работы регуляционного сооружения с совмещенным водозабором в натурных условиях 94 Глава 4. Изучение влияния водонаправляющего козырь ка при различных расположениях на гидравлические параметры потоков 102 4-.І. Определение глубины воды под струей в водозахватном тракте 102 4.2. Определение гидравлических параметров при сопряжении бьефов 114 Глава 5. Режим сопряжения горизонтов потока в ниж нем бьефе сооружения при устройстве на концевой части водонаправляющего козырька ТТпс носком 5.1. Основные задачи сопряжения бьефов регуляционного сооружения с совмещенным водозабором 119 5.2. Определение высоты отверстия между носком и дном нижнего бьефа и длины носка,обеспечивающих образование поверхностных режимов Глава б. Технико-экономическое обоснование конст рукции регуляционного сооружения с совме щенным водозабором АЛО Основные выводы и рекомендации 132 Литература Введение к работе КПСС При разработке новых и усовершенствования существующих конструкций и метода гидравлических расчетов,направленных на регулирование и использование стока горных рек,не обходимо в качестве расчетных параметров использовать характеристики тех типов горных потоков,которые являются основными для данного бассейна реки. В настоящее время,независимо от типа потоков в тех или иных бассейнах проектируются и строятся одни и те же сооружения для ре - ІЗ гулирования и использования горных рек.Опыт эксплуатации их показал,что построенные конструктивно одинаковые сооружения на разных реках,при одинаковых размерах,находятся в различных эксплуатационных условиях.Из всех недостатков самыми значительными являются неправильные решения определения места размещения и метод гидравлических расчетов,что приводит к неустойчивости этих сооружений на реках,где проходят паводковые и селевые потоки,т.е.в зависимости от типа потоков должны определяться назначение и вид сооружений, на к ладыв а ющих свой отпечаток на конструкцию и состав сооружений. Изучению типа потока на горных реках посвящены работы М .к . Великанова [22], В.Н.Гончарова [27], И.В.Егиазарова [34], У.Р. Мирзазаде [б7], ИЛї.Херхеулидзе [іООДОї] , С.М.Флейшмана [97,98,99] А.И.Шеко [Ю7] и др. Для установления типа потока на горных реках зависимости определения количественной оценки,степени селеносности и количественного показателя интенсивности селепроявлений,предложенной авторами [22,34,60,67,98,99,101] не могли быть использованы на горных реках Азербайджанской ССР,так как они разрабатывались для региональных условий.На основании проведенных исследований авторов [60, 67,100,101,107] и наших натурных экспериментальных исследований предлагается зависимость для установления типа потоков на горных реках Азербайджанской ССР,которая имеет вид: где Q,- коэффициент селеносности; д/у_ относительная площадь очагов селе образования в долях единицы,приняты по [73,80] ; Jcp- средний уклон русла реки; - 14 К - коэффициент густоты речной сети определяется по следующей формуле [40,68 ; K= L , (1.2) где Y&- общая протяженность всех рек данной сие те мы, находящихся на данной площади бассейна реки; F - площадь водосборного бассейна реки. Все реки республики по степени изменения данного коэффициента ( Ce ) можно классифицировать следующим образом: I тип - реки с водными потоками -Q 0,01; П тип - реки с обычными паводковыми потоками -Со 0,01 0,05, Ш тип - реки с катастрофическими паводковыми потоками С0 0,05ч- 0,10; ІУ тип - реки с турбулентными (несвязными) селевыми потоками С0 0,10 - 0,20; У тип - реки со структурными (связными) селевыми потоками С 0,20 - 0,40. Для гидрогеологических расчетов была составлена программа записанная на языке "Фортранг." для ЭВМ EC-I035,которая приводится в приложении. Проанализировав имеющиеся материалы по основным характерным горным рекам по зонам Азербайджанской ССР,на основании вышеуказанного коэффициента ( С0 ),определены типы потоков (табл.1.1 -» 1.5). Как видно из таблицы I.I 1.5 наибольшее количество селенос-ных рек приходится на южный склон Большого Кавказа и Нахичеванскую АССР,что можно объяснить сложньш комплексом физико-географических условий бассейнов горных рек. Анализ имеющихся литературных материалов и проведенные исследования показывают,что одной из главных задач при усовершенствова - 15 ний существующих методов гидравлических расчетов и разработке новых конструкций по регулированию и использованию стока горных рек,является установление основных параметров этих потоков. На основании проведенных исследований авторами [22,34,60,67] и наших исследований,были установлены основные параметры горных потоков и проведена классификация их на горных реках республики (табл. 1.6) с целью определения типа,месторасположения регуляционных и водозаборных сооружений и метода гидравлических расчетов. Горные водозаборы согласно способу забора воды и конструктивным особенностям могут быть объединены в три основные группы: 1. Водозаборы с донными решетками. 2. Послойно-решетчатые водозаборы. 3. Бычковые водозаборы. Горные водозаборы могут быть применимы для односторонней и двусторонней подачи воды.Водозаборная решетчатая часть их может занимать весь водосбросный фронт гидроузла или только часть его (рис. 2.1). В последнее время многими исследователями выполнены работы по изучению горного водозабора и совершенствованию его конструкции, а также по разработке методики его расчета.При разработке более совершенных конструкций,обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей,исследователями особое внимание уделялось изучению гидравлического и наносного режимов водозабора. С этих позиций наиболее рациональными следует считать конструкции горных водозаборов,предложенных акад.Е.А.Замариным [37,38] , С.В.Йзбашем [77] , С.Г.Мелик-Нубаровым [б1,б2,бз] , Т.Г.Гегелия [2б], Л.А.Горбачевым [28], Н.Ф.Данелия[зо], Г.А.Джимшели[32], Ф.С.Салахо-вым [82,83,84], К.Ф.Артамоновым [8,9,ю], Р.Ж.Жулаевым[зб], А.И.Ары-ково! [б,7], И.И.Кухианидзе [бі], Г.В.Соболиным [89], Н.Б.Кереселид-зе [32], А Э.Сералидзе 32], И.ЯДндрейчуком [б], В.Г.Айвазяном [78], З.Н.Данелия [зі] и др ,которые внедрены в производство. Следует отметить,что наибольшее количество разновидностей горных водозаборов встречается в первой группе. Разница между этими водозаборами заключается в незначительных конструктивных деталях, которые в той или иной степени уменьшают поступление донных наносов в водоприемную галерею или создают условия для перехвата их перед решетчатой частью плотины. Все водозаборы первой группы являются разными вариантами "тирольского" типа, который наиболее распространен на горных реках СССР. Конструктивной особенностью водозабора "тирольского" типа является сохранение естественного режима потока в створе водозабора. Этот тип водозабора с решеткой расположен на одном уровне с дном реки без наличия эффективных промывных устройств. Поток на гребне плотины должен транспортировать во взвешенном состоянии частицы наносов размером больше просветов водоприемной решетки.Такие водозаборы совершенно не стесняют русло реки и,следовательно,не препятствуют прохождению паводковых расходов,наносов и плавающих тел,а так-же селевых образований. Основным недостатком в работе водозабора является то,что решетка интенсивно засоряется наносами,при паводках также забивается ими водоприемная галерея,возникают трудности очистки их и перебои в подаче воды в зимнее время и в период ремонта. Впервые в гидротехнической практике крупные исследования в области горного водозабора выполнены акад.Е.А.Замариным [37,38] и была усовершенствована конструкция и разработана новая компоновка горного водозаборного сооружения с донной решеткой (рис.2.2). Общая схема данного типа водозабора представляется в следующем виде.Плотина бостоит из 3-х частей: водозаборной,водосливной и глухой.Небольшие паводки пропускаются через водозаборную часть плотины, средние и значительные одновременно - через водозаборную и водосливную части. Для организованного подвода к плотине и отвода от нее потока в верхнем и в никнем бьефах устраивают струенаправляющие дамбы. Водозаборная часть представляет собой плотину с приподнятым порогом,перекрытым донной решеткой,под которой устроена водозаборная галерея.Из галереи вода поступает в отстойник. В 1928 г. С.В.Избашем [77] было предложено водозаборное сооружение с горизонтальными донными решетками для забора поверхностных и грунтовых вод из горных рек, без наличия эффективных промывных устройств (рис.2.3). Водозабор представляет собой дренажную галерею,совмещающую в себе захват и отвод вод.В него устроены одна над другой две галереи: верхняя - для захвата поверхностного потока, перекрытая двойной решеткой; нижняя, затопленная камнем, - для сбора грунтовых вод. Галереи сообщаются между собоій вертикальными трубками, по которым вода из нижней поступает в верхнюю. G верховой стороны водозаборной галереи сделана каменная отсыпь, профильтровавшаяся в нее грунтовая и поверхностная вода поступает через отверстия в верхової стенке массива в галерею.Галерея перекрыта железобетонной плитой вместо решетки и по этой части галереи вода течет к напорному трубопроводу. Этот тип водозабора работает неудовлетворительно и не приспособлен для приема воды из горных рек. Интенсивное засорение решетки и галереи наносами приводит к вынужденным перерывам в подаче воды водопотребителям на время,необходимое для расчистки водозаборных сооружений. Предложенная конструкция может быть применена для каптажа родников. _ -1 -. її В 1938-40 г. г. С Г. Мелик-Нубаровым [бі,62,63] был предложен усовершенствованный тип "тирольского водозабора,который характеризуется следующими особенностями (рис.2Л), В отличие от "тирольского" типа,водоприемники галереи этих водозаборов устроены в теле донного порога небольшой высоты,почти не стесняющего русло реки.Это дало возможность устроить промывной шлюз,примыкающий непосредственно к водоприемной галереи,которая расположена вне пределов решетчатой части плотины. На широких поймах рек по данной схеме сооружаются водосливные плотины с повышенным гребнем,с целью направления меженных расходов воды к решетчатой части плотины. На основе обработки литературных,фондовых материалов и частично путем натурных исследований анализированы конструктивные особенности существующих характерных конструкций водозаборных сооружений на горных реках,которые классифицируются по способу забора воды, конструктивным особенностям и по методу борьбы с донными наносами. (табл.2.I) [2,12,23,90,92] . В результате отметим, что проведена плодотворная работа многих исследователей по изучению горного водозаборного сооружения,совершенствованию его конструкции и компоновочной схемы.Значите льная часть этих исследований проведена в 30-4-0-х годах,когда проектированию и строительству малых деривационных ГЗС на горных реках уделялось повышенное внимание; поздние работы по этому типу водозабора связаны,в основному применением его для целей ирригации.Лишь позднее,главным образом в 50-х начале 60-х годов,когда начали осваивать горные реки для целей ирригации и водоснабжения,борьба с наносами при водозаборе стала предметом изучения отдельными исследователями. Основное преимущество горных водозаборов заключается в том,что они обеспечивают беспрепятственный пропуск паводковых вод,крупных наносов и плавающих тел вниз по руслу реки.Забор воды осуществляется при всех горизонтах воды в реке,а головное сооружение мало стесняет русло,что важно для горных рек при прохождении паводков и селевых потоков. Отметим!что горные водозаборы,наряду с определенными преимуществами,имеют и ряд недостатков. Анализ конструкций существующих горных водозаборов показал,что в настоящее время большинство из предложенных конструкций имеет один общий недостаток - незарегулированность русел рек и очень широкий фронт перед ними,попадание большого количества донных наносов как в водоприемник,так и далее в магистральные каналы,что приводит к вынужденным перерывам в подаче воды на время,необходимое для расчистки водозаборных сооружений.Эксплуатация этих сооружений на горных реках во многих случаях показала неудовлетворительную работу решеток водозаборной галереи.Одним из основных недостатков решетки водозаборной галереи является засорение просветов и уменьшение из-за этого пропускной способности. На основе ряда экспериментов исследователями установлено,что засорение решетки зависит от формы поперечного сечения стержней,формы частиц донных наносов,времени года,гидравлической структуры водного потока и др. \ С другой стороны,большую трудность в компоновке водозаборного узла представляет переменный расходный режим реки.Опреде ленная компоновка узла может оправдать себя при тех или иных пределах колебания речных расходов,а при других расходах она .остается неудовлетворительной. Помимо этого,при эксплуатации горные водозаборы в большинстве случаев работают недостаточно эффективно, так как при прохождении паводковых и селевых потоков разрушаются, заносятся и не гарантируют нормального забора воды,что приводит к чрезвычайно большим ежегодным эксплуатационным затратам. Поэтому в настоящее время одной из кардинальных проблем забора воды из горных рек является усовершенствование существующих и разработка новых,более рациональных конструкций горного водозабора и методов гидравлических расчетов их Все это уменьшило бы поступление наносов в водоприемник,обеспечило бы потребность хозяйств в количестве и качестве забираемой воды и повысило бы устойчивость сооружения по отношению к паводковым и селевым потокам. При разработке метода гидравлических расчетов новых конструкций водозаборных сооружений необходимо учесть совмещение в одном сооружении нескольких функций: регулирование жидкого и твердого стока горных потоков,аккумулирование твердых материалов,стабилизации русел рек,равномерный пропуск обычных и селевых потоков по ширине русла,забор воды и др. В задачу наших исследований входили следующие вопросы: 1. Изучение гидрогеологических параметров потоков горных рек Азербайджанской ССР. 2. Изучение и анализ конструктивных и гидравлических особенностей существующих водозаборных сооружений на горных реках. 3. Разработка комплексных систем инженерных мероприятий для обеспечения регулирования жидкого и твердого стока горных потоков, бесперебойного забора воды и др. 4-. Разработка метода гидравлического расчета новой конструкции регуляционного сооружения с совмещенным водозабором для горных рек. Для этого выполнено следующее: а) обоснована конструктивная и гидравлические характеристики регуляционного сооружения с совмещенным водозабором; б) определена пропускная способность предлагаемого сооружения; в) выполнен гидравлический расчет водозахватного тракта, г) расчитана водоприемная галерея; д) определены качественные и количественные характеристики работы водозаборного сооружения при наносном режиме; е) исследована работа регуляционного сооружения с совмещенным водозабором в натурных условиях; ж) изучено влияние водонаправляющего козырька на гидравличес кие параметры потоков для решения вопроса его оптимального располо жения; з) определен режим сопряжения бьефа за водозаборным сооружением. - 51 5. Технико-экономическое обоснование конструкции регуляционного сооружения с совмещенным водозабором для горных рек. Поставленные задачи выполнены в лабораторных и натурных условиях. При проведении лабораторных и натурных исследований были использованы методики,рекомендованные следующими советскими учеными и специалистами: Р.Р.Абдураупова [і,2], С.Т.Алтунина [3,4-], Т.Х.Ахмедова [12], А.И.Арыковой [б,7], А.Р.Березинского [20], Н.Ф.Данелия [зо] , Е.А. Замарина [37,38], Н.М.Мамедова [56,57,58,59,60], А.Я.Миловича[б4,65]. А.М.Мухамедова [70,7l], А.С.Офицерова [?5], Р.В.Тшлировой[91,92,9з] , Р.Р.Чугаева 103,104] и др. Вопросы I и 2 выполнены на основе камеральных обработок литературных, фондовых материалов и частично путем натурных исследований. Для гидрологических расчетов была составлена программа для ЭВМ EG-I033,записанная на языке "Фортран". Вопрос о режимах сопряжения бьефов за водосливными сооружениями подробно исследован.Создание теории режимов сопряжения бьефов является заслугой представителе! советской школы гидравликов. Здесь должны быть отмечены,прежде всего,работы основоположника теории поверхностных режимов А.А.Сабанеева [ЮЗ], а также исследования И.И. Леви [55], М.Ф.Складнева [87,88], Н.Н.Беляшевского [і7,І8], М.Д. Чертоусова [Ю2], С.А.Егорова [Зб], Т.Н.Астафичевой [її], Д.И.Куми-на [бО], ВЛ.Орлова [74] и других авторов. . Здесь мы касаемся только тех вопросов,которые имеют большое значение для нормального осуществления забора воды из нижнего бьефа. Одним из основных вопросов предлагаемой конструкции водозаборного сооружения является рациональное решение вопроса о создании благоприятной гидравлической структуры потока на участке сопряжения бьефов для нормального осуществления забора воды из нижнего бьефа. Для решения этой задачи в лаборатории проводилась серия опытов на модели водозаборного сооружения при устройстве на концевой части водонаправляющего козырька с носком и были изучены нижеследующие гидравлические явления: 1. типовые режимы сопряжения бьефов; 2. установление влияния режима нижнего бьефа на забор воды. Опыты проводились в лотке шириной 0,3 м,длиной 3,0 м и высотой 0,5 м. Высота модели водозаборного сооружения 0,20 0,3 м, ширина 0,3 м. Относительные высоты отверстия (01=-= -) между носком и +01 - - дном нижнего бьефа и длина носка (L=-7r7 )?aBHaol=0»25"f0»Zf5 и н E+U х .» U - 120- x LH=0,I5tO,35. Угол подъема носка 8=0 ч 15. Как показано А.А.Сабанеевым [ЮЗ], при устройстве водосливного носка в конце сливной части плотины происходит изменение характера гидравлической структуры потока за плотиной. Опытами А.А.Сабанеева были установлены тип и форма сопряжения водосливной струи с нижним бьефом при устройстве носка,при отсутствии забора воды из нижнего бьефа. Проведенные нами исследования показали,что при осуществлении забора воды из нижнего бьефа через водоприемный порог,в зависимости от высоты отверстия (а) между носком и дном нижнего бьефа,величины расхода,скороети и угла наклона струи на носке,в нижнем бьефе могут быть различные виды сопряжения [50,74,88] : 1. донный режим; 2. поверхностный с незатопленной струей; 3. поверхностный с затопленной струей. Зти режимы в указанном порядке сменяют друг друга при повышении глубины воды в нижнем бьефе.Проведеиные исследования показали, что характер смены режимов в большой степени зависит от удельного расхода ( а ) и величины отношения высоты отверстия (а) между носком и дном нижнего бьефа к высоте плотины ( Р0 ) над дном нижнего бьефа ( - - ). При смене донного режима поверхностным,максимальные донные скорости на участке сопряжения уменьшаются в 2-3 раза.В зависимости от соотношения между гидравлическими элементами потока до и после сооружения смены режимов осуществляются при давлении под струей большим,меньшим или равным гидростатическому. При выборе типа сопряжения с нижним бьефом приходится считаться с нижеследующими условиями: а) чтобы забор воды из нижнего бьефа осуществлялся нормально; б) чтобы донные наносы не поступали в водозахватный тракт. - 121 -Общие результаты сравнения различных режимов сопряжения с нижним бьефом при заборе воды позволяют высказать предположение, что наивыгоднейшей формой сопряжения является поверхностная незатоплен-ная струя,горизонтальная на сходе со слива.В этом режиме забор воды из нижнего бьефа осуществляется нормально,донные наносы не поступают в водозахватный тракт и не могут ударяться о сооружение, и это приводит к гашению избыточной кинетической энергии потока Одним из основных вопросов для данного сооружения,осуществления нормального забора воды,является нахождение наивыгоднейшей высоты отверстия между носком и дном нижнего бьефа и длины носка (фото 5/1). Для обеспечения поверхностного режима с незатопленным прыжком при определении высоты отверстия между носком и дном нижнего бьефа использованы формула С.М.Слисского [47]: а= _L. (і + У П ) h,- 2h,- -Ь + 2 Vt?- 2f« h3 , (5-І) где h,- глубина струи на носке определяется по формулам глу бины в сжатом сечении; ,,о12- коэффициенты количества движения,которые могут приниматься равными единице; "Ь - глубина потока воды в нижнем бьефе; J3 - коэффициент бокового сжатия; ті - число Фру да. Минимальная высота отверстия (am n ) между носком и дном нижнего бьефа определена по формуле М.Ф.Складнева [47,87,88] :Классификация рек по типам горных потоков
Анализ характерных конструкций водозабор-ных сооружений на горных реках
Конструктивные и гидравлические особенности регуляционного сооружения с совме- ао щенным водозабором
Определение гидравлических параметров при сопряжении бьефов
Похожие диссертации на Гидравлические исследования регуляционного сооружения с совмещенным водозабором для горных рек
