Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изученность вопроса заносимости морских водоприемников с оградительными дамбами-ковшовых водоприемников 11
1.1. Место ковшовых водоприемников среди других типов водоприемников 11
1.2. Конструкции ковшовых водоприемников 14
1.3. Процесс заносимости ковшовых водоприемников... 21
1.4. Известные мероприятия для зашиты водоприемников от заносимости 24
1.5. Условия работы водоприемников ковшового типа по данным обследований 26
1.6. Учет гидрологических и литодинамических условий побережья 38
Глава 2. Цель и задачи исследований 41
2.1. Цель исследований 41
2.2. Задачи исследований 43
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 44
3.1. Экспериментальные волновые бассейны 44
3.2. Методика моделирования 52
3.3. Измерительная аппаратура и инструменты,методика измерений 54
3.4. Обработка экспериментальных данных 64
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования во доприемников традиционных конструкций 66
4.1. Гидравлика каналов с открытым входом и оценка их возможной заносимости 66
4.2. Нагон в каналах с открытым входом 74
4.3. Гидравлика каналов с перекрытым входом и оценка их возможной заносимости 78
4.4. Исследование затухания волн в водоприемных каналах различных конструкций 96
4.4.1. Результаты экспериментальных исследований... 96
4.4.2. Расчет затухания волн в каналах 120
4.5. Рекомендации по использованию водоприемников традиционных конструкций 128
4.6. Выводы из исследований 129
Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования самопромывной камеры 132
5.1. Принцип волнового самопромыва 132
5.2. Конструктивные характеристики самопромывной камеры 135
5.3. Гидравлика самопромывной камеры 143
5.4. Геометрические характеристики самопромывной камеры 157
5.5. Конструктивные варианты самопромывной камеры... 162
5.5.1. Камеры с фронтальным внешним затопленным порогом 162
5.5.2. Камеры с боковым внешним затопленным порогом 182
5.5.3. Анализ и обобщение экспериментальных данных 185
5.6. Расчет самопромыва 191
5.6.1. Расчет самопромывного течения 191
5.6.2. Методика расчета заносимости водоприемников ковшового типа и снижения заносимости в результате использования самопромывной камеры 199
5.7. Механическое средство возбуждения промывного потока 206
5.8. Затухание волн в каналах с самопромывной камерой...209
5.9. Выводы из исследований 214
Глава 6. Инженерный метод расчета и технико-экономическое обоснование самопромывной камеры 214
6.1. Инженерный метод расчета самопромывной камеры... 214
6.2. Технико-экономическое обоснование применения самопромывной камеры 220
6.2.1. Исходные данные 220
6.2.2. Расчет самопромывной камеры 222
6.2.3. Снижение заносимости в результате применения самопромывной камеры 224
6.2.4. Преимущества самопромывной камеры по сравнению с водоприемниками традиционных конструкций 232
Выводы и рекомендации 234
Литература 237
Приложение
- Условия работы водоприемников ковшового типа по данным обследований
- Измерительная аппаратура и инструменты,методика измерений
- Гидравлика каналов с перекрытым входом и оценка их возможной заносимости
- Конструктивные характеристики самопромывной камеры
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС особое внимание обращается на повышение качества проектной документации, своевременное внедрение в практику достижений науки и техники.
Непрерывный рост в вашей стране промышленного и сельскохозяйственного производства связан с резким увеличением объемов водо-потребления. В этих условиях все большее значение приобретают вопросы интенсификации и общего улучшения работы водоприемных сооружений, особенно водоприемников с оградительными дамбами, которые рассчитаны на большую пропускную способность и предназначены для отбора воды из морей и других крупных водоемов.
К крупным водоемам по условиям отбора воды можно отнести те из них, на которых в прибрежных зонах возбуждаются ветровые волны с высотами, превышающими 0,75 м.
Морские водоисточники сравнительно недавно (преимущественно в послевоенные годы) стали широко осваиваться из-за резко возросшего дефицита пресной воды во всем мире и задач охраны окружающей среды. Поэтому водоприемные сооружения на них, из которых приобрели широкое распространение водоприемники с оградительными дамбами, требуют новых технических решений. Большое значение приобретают вопросы повышения их технической надежности и экономичности, а прокол екты требуют BHGoro уровня качества.
Неизбежно также в ближайшей перспективе широкое распространение водоприемников с оградительными дамбами и на других крупных водоемах ввиду их строительных и эксплуатационных достоинств. Так что большинство разработок для морских условий могут быть использованы для условий крупных, неморских водоемов.
Опыт эксплуатации морских водоприемников ковшового типа отно - 6 сительно невелик, а условия морского водоприема значительно сложнее, чем в речных условиях, из-за действия волн, различного рода прибрежных течений, прежде всего вдольбереговых, и вдольберегового потока наносов.
Первые годы эксплуатации морских ковшовых водоприемников показали, что, находясь в условиях вдольберегового потока наносов, они подвержены значительному занесению наносами. Объем заносимос-ти может исчисляться десятками и первыми сотнями тысяч м3 в год на одном водоприемнике с пропускной способностью до 20 м3/с,обусловливая соответственно материальные издержки до 500 тыс.руб. в год только на чистку сооружения от наносов. Отрицательно сказывается заносимость и на работе водопотребляющих систем крупных промышленных предприятий, таких как ТЭЦ, ТЭС, АЭС, нефтеперерабатывающие, химические заводы и другие, которые используют морскую воду. Известны примеры применения морской воды в целях сельскохозяйственного полива.
Затруднения, вызываемые заносимостью, вынуждают реконструировать эксплуатируемые морские водоприемники с оградительными дамбами, преимущественно каналы, наиболее подверженные этой помехе по сравнению с ковшами. Однако, как и для нового строительства, отсутствуют надежные конструкции данных водоприемников. Конструкция водоприемника ковшового типа сводится к плановой компоновке оградительных дамб, сочетанию в их составе дамб полного и неполного профилей, а также к специальной конструкции самих дамб, которые могут быть фильтрующими, с придонными отверстиями и т.п.
Предложенные конструкции, а также конструкции эксплуатируемых каналов, появление которых всех вместе относится к последним трем десятилетиям, имеют защиту от наносов в пассивной, традиционной форме и являются малоэффективными.
Общей чертой традиционных конструкций каналов и ковшей являет - 7 ся тот факт, что они в условиях вдольберегового потока наносов подвергаются неизбежному занесению наносами, начиная со входного участка. Речь идет лишь о скорости их накопления на входе и распространения далее вглубь сооружения. Это обстоятельство связано с необходимостью проведения регулярного землечерпания для обеспечения нормальной работы сооружения и водопотребителя.
Исследования на моделях водоприемных каналов обычно сопровождались и сопровождаются изучением затухания волн по длине сооружений, посколько волна определяет подвижность наносов на их акваториях. Исследование затухания волн представлялось как одна из задач проблемы заносимости водоприемных каналов.
Первоначальной темой автора как раз являлась тема затухания волн в морских водоприемных каналах. По мере ее разработки, исходя из практической необходимости, тема была усложнена и расширена. Наряду с исследованием волн в каналах, стал исследоваться процесс их заносимости и различные конструкции, рациональные в отношении защиты от наносов. Все это намного расширило сферу исследований, отодвинуло сроки окончания работ.
Цель работы при этом свелась к разработке более совершенной конструкции водоприемника ковшового типа в отношении защиты от наносов, а основная задача - к разработке инженерного метода расчета такой конструкции.
На первом этапе исследований, проведенных в лаборатории инженерной гидравлики ВНИИ "ВОДТЕО", автором был разработан расчетный метод затухания волн в водоприемных морских каналах. Эти исследования, как и последующие, опирались на имеющиеся материалы и собственные теоретические и экспериментальные исследования автора.
В дальнейшем автором был найден новый путь к совершенствованию конструкции водоприемников с оградительными дамбами и разработана принципиально новая конструкция, так называемая самопромывная камера (авт.св. 438757, 1974 г.), обладающая активной формой защиты от наносов в виде самопромывного течения, возбуждаемого за счет использования энергии волн. Подобный самопромыв назван волновым самопромывом и по эффективности стоит в одном ряду с самопромывом, используемым в русловой гидравлике. Разработке самопромывной камеры в значительной мере способствовали работы польского ученого И.Афтанаса и Института гидромеханики АН УССР, его сотрудников: Б.А. Шшкина, Е.С.Цайтпа, Ю.Н.Сокольникова, В.Л.Максимчука, Н.А.Грущен-ко и др.
Учитывая широкую комплексность проблемы заносимости ковшовых водоприемников, автором был изыскан и предложен другой путь защиты их от наносов. Этот путь связан с использованием специальных механизмов и аппаратов для возбуждения направленного потока заданной силы, способного перемещать наносы в нужном направлении. Предложены принципиальная схема и способ использования аппарата, интенсифицирующего самопромывное течение (АИСТ).
В результате проведенных исследований было найдено эффективное средство защиты водоприемников ковшового типа от заносимости в виде самопромывной камеры и предложено специальное техническое средство этого же назначения. В связи с этим можно сделать вывод, что рассматриваемая сложная проблема гидротехники, казалась бы неразрешимая по аналогии с заносимостью морских портов, поддается решению.
Диссертация состоит из шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Ниже приводится краткая характеристика глав работы, центральными из которых являются пятая и шестая, посвященные самопромывной камере и ее технико-экономическому обоснованию.
В главе I - "Изученность вопроса заносимости морских водоприемников с оградительными дамбами (ковшовых водоприемников)" - затрагиваются вопросы, раскрывающие специфику работы морских водопри - 9 емников ковшового тина, рассматриваются конструкции сооружений, процесс их заносимости и современные научные достижения по затронутым вопросам.
В главе П - "Цель и задачи исследований" - определяются цель и задачи исследований автора.
В главе Ш - "Методика экспериментальных исследований" - характеризуются экспериментальные установки - волновые бассейны, излагается методика моделирования; описываются инструменты и приборы,используемые в опытах, методика обобщения экспериментальных данных. В главе ІУ - "Теоретические и экспериментальные исследования водоприемников ковшового типа традиционных конструкций" - приводятся результаты исследований водоприемников традиционных конструкций по единой экспериментальной методике с целью выявления их специфики в отношении заносимости. Приводится разработанная методика расчета затухания волн в водоприемных каналах.
В главе У - "Теоретические и экспериментальные исследования самопромывной камеры" - рассматриваются принцип волнового самопромыва, конструкция самопромывной камеры, расчетные зависимости самопромыва, принципиальная схема предложенного аппарата, интенсифицирующего самопромывное течение,- ШСТ&.
В главе УІ - "Инженерный метод расчета и технико-экономическое обоснование самопромывной камеры" - рассматриваются инженерный метод расчета самопромывной камеры, приводятся технико-экономическое обоснование использования самопромывной камеры и ее экономическая эффективность по сравнению с традиционными вариантами рассматриваемых сооружений. Показано, что самопромывные камеры позволяют снизить заносимость водоприемника в пять раз и более по сравнению с традиционными конструкциями. Дается разработанная автором методика расчета заносимости ковшовых водоприемников и снижения заносимости в результате применения самопромывной камеры по сравнению с традиционными вариантами.
В работе над диссертацией постоянную и содержательную помощь оказывали д.т.н. B.C.Шайтан, д.т.н. А.М.Латышенков, к.т.н. В.А. Ромадин, ст.инж. Н.И.Серпуховитина и другие сотрудники лаборатории инженерной гидравлики ВЕИИ "ВОДГЕО", специалисты механической мастерской ВНИИ "ВОДГЕО", которым автор приносит большую благодарность.
Неоценимую помощь в работе над диссертацией и подготовке ее к защите автору оказали сотрудники Института гидромеханики АН УССР: к.т.н. Ю.Н.Сокольников, к.т.н. Е.С.Цайтц, к.т.н. В.В.Хомиц-кий. Ряд ценных замечаний сделано д. т.н., профессором Н.Н.Малишев-ским.
Большой интерес к теме в самом начале работы над диссертацией проявлял чл.-корр. АН УССР Б.А.Пышкин, предлагая необходимую помощь достоянное внимание к работе, к написанию диссертации проявлял научный руководитель автора д.т.н., профессор А.С.Офицеров, оказывая необходимую научную помощь. Светлую память об этих ученых и замечательных людях автор сохранит навсегда.
Условия работы водоприемников ковшового типа по данным обследований
Обратимся теперь к некоторым примерам морских водоприемников с оградительными дамбами. Морские водоприемники $ I, № 2, № 3 на отмелых берегах показаны на рис. 1.3 а, б, в [22] .
Морской водоприемник $ I, представляющий канал с оградительными дамбами из каменной наброски (рис.1.3 а), построен в 1955 г. на береговой отмели, имеющей средний уклон 0,01 и сложенной мелкопесчаными грунтами. Общий расход водозабора 18 м3/с.
Преобладают ветры северного и южного направлений, а значительное волнение - с севера. Наибольшую повторяемость имеют волны с высотой ниже 0,25 м. Повторяемость волн выше І м составляет 15%.Волны более 2,5 м имеют повторяемость 2%, Разрушение крупных волн происходит в голове канала. Вдольбереговой поток в море движется вдоль входа на восток, несет частицы крупностью 0,10-0,25 мм. К западу от водоприемника на расстоянии 1,1 км в море впадает река, питание которой происходит за счет дождей и производственного сброса, достигающего 10 м3/с Общее количество наносов, выносимых рекой, пр приближенным оценкам может быть принято равным 70000 м3/год, из которых 2($ составляют донные наносы, а 60$ - частицы крупностью менее 0,1 мм. Эти наносы реки поступают во вдольбереговой поток, идущий к водоприемнику. Заносится входящий угол между западным молом и берегом, а затем - в обход головы дамбы, - акватория канала.
В головном участке канала, в основном, оседают донные наносы. В заносимости остальной части сооружения преобладающую роль играют взвешенные наносы из реки. Намыв происходит как перед западной дам бой (годовой слой 0,2 м), так и перед восточной (годовой слой 0,1м) до глубины 4 м. На больших глубинах размывы и намывы практически отсутствуют, поэтому глубина Н = 4 м может считаться стабильной. За период наблюдений 1957-58 г.г.на акватории канала-ковша слой наносов достиг 1,1 - 1,2 м в начале канала и у насосной станции В I, где "волновая тень" создает благоприятные условия для отложения взвешенных наносов. На остальной части канала слой наносов составил 0,7 - 0,8 м. По мере выравнивания дна у головы ( здесь было понижение дна ) и уменьшения глубины прорези заносимость падает и на-. оборот. С 1955 г. по 1957 г. прирост слоя отложений в голове был равен 0,17 м в месяц, а глубины упали соответственно с 6,7 до 3,5 м. По мере выработки профиля равновесия интенсивность отложений нано-. сов перед западной дамбой уменьшается (здесь берег выдвигался в море со скоростью 21 м/год). При этом вдольбереговой поток наносов начинает огибать дамбу, не теряя насыщенности, и поэтому заносимость канала начинает расти. Через 1,5 года после проведенного углубления в 1962 г. отметки дна стали прежними, т.е. глубины на входе снизились до 3,5 м. Ежегодный объем отложений наносов в канале составляет около 160 тыс.м3 [25] .
Таким образом, при данной конфигурации дамб водоприемника й I и гидрометеорологической обстановке заносимость сооружения является значительной и мешает его эксплуатации. Взвеси менее 0,1 мм попадают в системы предприятия и вызывают перебои в работе. В этих условиях мерами борьбы с заносимостью могли бы служить: а) отвод реки ниже водоприемника [22] ; б) использование самопромыва, о котором будет говориться в главе У.
Водоприемник В 2 представляет ковш с оградительной Г-образной дамбой из камня (рис.1.36). Рельеф дна в районе сооружения неровный, с ложбинами и валами. Вдоль берега идет течение с наибольшей скоростью около I м/с. Длина дамбы ковша составляет 100 м. Водозабор рассчитан на расход 20 м3/с Скорости в береговом канале 0,5-0,7 м/с, - до I м/с. Водозабор эксплуатируется с 1954г. С тех пор до 1967 г. очистка канала от наносов происходила 2 раза. Суммарный слой наносов 1,5-2 м по каналу и 2-2,5 м по ковшу. Основные помехи эксплуатации не из-за наносов, а из-за водорослей. В среднем за месяц к сеткам станции поступает 26,5 т растительности при суточном максимуме за время наблюдения 2,6 т, из них 96$ составляют водоросли.
Рекомендуется следующая защита станции от травы и наносов для обеспечения бесперебойной эксплуатации [22] : 1. Сооружение подводного порога у входа в ковш с глубиной на пороге I м от минимального горизонта; предполагается, что подводный порог снизит количество растений не менее, чем на 50$, и перехватит почти все донные наносы. 2. Улучшение работы сеток путем установки их в двух последовательных рядах для двойной очистки и путем улучшения их качества (изготовление из латуни).
Морской водоприемник № 3 с оградительными дамбами из грунта (рис. 1.3.в). Канал прорыт в мелководном заливе, дно которого сложено иловатыми песками и илами. На расстоянии 8 км от берега глубины достигают всего лишь 3,5 м. Канал протрассирован с нулевым уклоном. Эксплуатируется с середины 40-х годов. Имеет длину 8 км, ширину окодо 50 м, глубину до 3,5-3,8 м. Производительность станций Ш 1,2 и 3 составляет соответственно 2; 4 и 5,5 м3/с
Измерительная аппаратура и инструменты,методика измерений
Для измерения высот волн механическим путем использовался шпит-ценмасштаб. Разность отсчетов этим инструментом гребней и подошв волн давала значение средней высоты волны. При отсчете положения гребня или подошвы бралось не менее 20 волн. Точность измерений шпит-ценмасштабом определена И.А.Вайсфельдом [іб] . Ошибка измерений не превосходит 20$ от измеряемой величины.
Волны также измерялись лабораторным электроконтактным волнографом ЛВК-І [55] . Устройство ЛВК-І основано на принципе использования электропроводности воды. Глубина его погружения в воду строго прямолинейно связана с величиной электрического сигнала, подаваемого на осциллограф. Принцип работы ЛВК-І показан на рис. 3.4. Он состоит из рейки с размещенными вдоль нее миниатюрными металлическими контактами, средние линии которых отстоят друг от друга на 0,3см. Точность измерений составляет около 2-3 мм.
Тарировка прибора осуществлялась в волновом бассейне при спокойном уровне воды. Тарировочные кривые для 3-х волнографов показаны на рис. 3.5, где по оси ординат отложено положение уровня волновой поверхности вверх ( + fi ) и вниз {-к ) от средней (горизонтальной) линии, совмещаемой в начале опыта со спокойным уровнем воды. По оси абсцисс показано отклонение светового зайчика на экране осциллографа вправо ( "+") и влево ("-") от среднего, "нулевого",положения. Непрерывная запись волнографных измерений производилась с помощью осциллографа Н-700.
В опытах с самопромывной камерой, когда особенно важны были точные инструментальные измерения волновых скоростей и волновых давлений, использовался индуктивный датчик мгновенных давлений в волновом потоке ДЦК [53,54] . Он применялся параллельно с ЛВК-І.
Приемником давления в этом приборе служит полый шарик или круглый диск из полимерного материала толщиной I мм и диаметром 10-30 мм, обозначенный цифрой I на рис. 3.6. В наших опытах использовался полимерный диск диаметром 18 мм. Диск укреплен на тонком металлическом стерженьке 3 длиной около 6 см. Стерженек введен и закреплен в сигарообразное, хорошо обтекаемое тело, где размещается индуктивный преобразователь. Диск I воспринимает гидродинамическое давление волнового потока р, в результате чего происходит деформация стержня якоря 5. При смещении магнитопровода якоря 2 соответственно изменя ются воздушные зазоры у сердечников 4, в результате чего происходит изменение индуктивного сопротивления обмоток 6, преобразуемое в электрический сигнал, пропорциональный р. Представленная конструкция регистрирует только одну составляющую давления, действующую в плоскости сердечников 4. На рис.3.7 показано устройство индукционного приемника давлений.
Результаты измерений прибором ДЦК также записывались с помощью осциллографа Н-700 синхронно и на одну ленту с измерениями ЛЕК-І. Переход от давлений к скоростям осуществляется по закону Ньютона [l40] : где: сх - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса; при V = 20 см/с для крутлого диска Сх = 0,55 = const; р - плотность воды, г/сек2/см . Отсюда:
Эта зависимость подтвердилась экспериментальными исследованиями Н.В.Вершинского и П.А.Волкова [27,31,32 J . Следовательно, дисковые приемники измеряют давление, пропорциональное квадрату скорости волнового потока. Это дает возможность осциллографные записи р-Ш) использовать как характеристики скоростей, переводя шкалу давлений в шкалу скоростей.
Тарировка ІЩК р=(Д)( ё - отклонение зайчика на экране осциллографа от нулевого положения в мм ) проводилась весовым способом,с помощью разновесов, накладываемых на диск ВДК, размещенный в горизонтальной плоскости. Результаты тарировки показаны в табл. 3.2 для I и П-й ступеней чувствительности прибора. Мы пользовались П-й чувствительностью. Табличные данные представлены графически на рис.3.8. Тарировка Ъ =lfi) проводилась в прямоточном лотке. Крестиками в начале кривой 15 =чШ) показаны опытные точки, объединенные штриховой линией (рис.3.8).
Гидравлика каналов с перекрытым входом и оценка их возможной заносимости
Перед тем, как перейти к гидравлическим характеристикам компоновок каналов с перекрытым входом, необходимо отметить, во избежание повторений, что система течений, обходящих каналы, аналогична той же системе течений для каналов с открытым входом (схемы I и 2) за некоторыми исключениями, не носящими принципиального характера. Поэтому описание этих течений в большинстве случаев опускается.
Можно отметить, несколько забегая вперед, что циркуляция в каналах с открытым и перекрытым входами также имеет много общего,что связано с образованием головных водоворотов, обусловливающих осаждение наносов. Однако здесь больше различий между каналами. Рассмотрим гидравлику" канала с незатопленным волноломом перед входом (схема 3, рис.4.6, 4.7).
Незатопленный волнолом перед входом значительно снижает волне ние в канале, что видно, например, при сопоставлении значений Рк. для схем I и 3, помещенных в табл.4.2. Значение Рк.= 1ьА» гд-е ГІК,- высота волны в корне канала, 1г0- высота волны перед головой канала. В результате режим для отстоя наносов оказывается значительно лучшим, чем при открытом входе. В канал попадает из боковых входов только дифрагированная волна, значительно ослабленная (см. приложение П, схема 3). Вхождение воды в канал осуществляется как в виде проникания гребней волн над правым торцевым откосом волнолома (в виде потока, аналогичного потоку У при схемах 1,2), так и в виде захода струй компенсационного противотечения Ш, которое на повороте во вход теряет свою скорость, что видно из рис. 4.6. Часть воды, зашедшая в канал справа, транзитом проходит вдоль внутренней стороны фронтального волнолома и выходит левым отверстием в море. Часть уходит внутрь канала. Такую же структуру течений при моделировании подобных же компоновок наблюдали А.А.Смирнов, И.А.Вайсфельд, Г.А.Петров и И.А. Забабурин [156, 23, I20] .
На левой границе транзитного течения, идущего вдоль внутренней стороны фронтального волнолома, образуется головной водоворот А с направлением вращения против часовой стрелки. В отличие от схем I, 2 наблюдается один водоворот, и он смещен непосредственно ко входу. В зоне водоворота происходит опускание масс воды вниз и отложение наносов. От водоворота часть воды низом выходит из канала слева (поток Л) и незначительно через правое отверстие. Друтая часть уже всем слоем на большей части канала двигается к его корню с незначительными скоростями, порядка 2 см/с и менее, полным сечением, что является положительным признаком компоновки.
Об этом свидетельствуют и экспериментальные исследования Г.А. Петрова и И.А. Забабурина: " движение в канале ковша характеризуется равномерным распределением струй в пределах всего живого сечения, небольшие вихревые области образовывались только у входа в ковш"-- [l20] . Распределение линий токов в их опытах показано на рис.4.8, а на рис. 4.9 - соответствующий данной системе токов характер за-носимости сооружения, определяемый с помощью впуска мелких фракций песка (0,1-0,15 мм). Наибольшая исходная высота волны на модели равнялась 5,3 см.
Исследования заносимоети модели, проведенные диссертантом,показали, что явно выраженное скопление наносов в канале происходит в волновой тени волнолома, перед его внутренней гранью и в правом проходе, что обусловливается соответствующей системой токов. При двухстороннем направлении вдольберегового течения участки заносимос-ти расположатся симметрично относительно оси канала.
Линии тока с внешней стороны фронтального волнолома (имеющие направление в обход головы канала) претерпевают изгиб с выпуклостью в сторону моря, что отчетливо видно на рис.4.6. Это свидетельствует о наличии отраженной водны, приводящей к отклонению потока, огибающего голову сооружения, в море и к отбрасыванию от волнолома частиц наносов, скопившихся у его подошвы. Отклонившийся поток затем снова разворачивается к берегу и продолжает движение с подветренной стороны канала. На рис. 4.7 показаны линии токов в поперечном и продольном сечениях канала. В сечении 1-І видна береговая ветвь водоворота А и опускание масс воды по откосам молов вниз.
В сечении 2-2 видна левая ветвь водоворота А, опускание в зоне водоворота масс воды вниз и отток их на выход. От водоворота к корню канала наблюдается равномерное движение воды к водоприемным окнам.
Конструктивные характеристики самопромывной камеры
Возможность практического использования искусственно возбуждаемого волнового компенсационного противотечения в целях борьбы с заносимостью сооружений, примером чему служит промывной бассейн И.А.Афтанаса, несомненно подсказана исследователям самой природой. Так, в небольших морских бухтах во время шторма в результате вет-ро-волнового нагона возникают сильные волновые компенсационные и разрывные противотечения, обладающие большой наносотранспортирую-щей способностью. Эти течения могут выносить на глубины песок,гальку и даже валуны.
Задачи исследователей заключаются в том, чтобы с помощью специального сооружения добиться оптимального развития этого течения. При этом противотечению отводится роль самопромывного течения.. Если устье вышеупомянутой бухты перекрыть затопленным порогом,задав критические глубины над ним, то поток, направленный в бухту,возрастет вследствие разрушения над ним волн. В разрушающейся волне имеет место движение масс воды с большими скоростями по направлению луча волны в момент прохождения ее гребня, а в момент прохождения ложбины - обратное движение воды практически отсутствует. Эти движения нужно отнести к поверхностным слоям волны.
При этом в бухте повысится нагонный уровень по сравнению с бухтой без затопленного порога и усилится противотечение, для выхода которого в пороге устраивается проран. Противотечение (самопромывное течение) стремится выйти именно в проран, так как здесь встречает наименьшее сопротивление своему движению, нежели над гребнем затопленного порога, т.к. в проране действует неразрушенная волна.
Следовательно, в условиях критических глубин над затопленным порогом, имеющим проран, будет происходить преобладающее движение разрушающегося волнового потока в бухту, отгороженную .. от прилегающего водоема. Такой поток в осредненном выражении направлен по лучу волны, в результате чего будет происходить неизменное вхождение масс воды внутрь бухты, а выход осуществляться через проран. Преобладание движения масс воды над затопленным порогом внутрь бухты делает его несколько аналогичным затопленному водосливу в русловом потоке, что отмечается, например, И.Е.Рудневой [143] . По мнению автора диссертации, ряд гидравлических зависимостей и понятий для руслового затопленного водослива в дальнейшем может быть использован для затопленного порога морского водоприемника, конечно, с учетом различий физической сущности волнового и руслового потоков. Сравнивая затопленный порог с обычным затопленным водосливом, выбирают аналогичные варианты по конструктивному выполнению.
Таким образом, при задании критических глубин над гребнем затопленного порога в бухте повысится нагонный уровень и усилится про тивотечение. Ширина прорана должна быть выбрана так, чтобы расход входящего в бухту потока был равен расходу выходящего в проран самопромывного течения с целью его интенсификации. Очевидно, что сплошной проран может быть заменен придонным отверстием (отверстиями) в пороге, или сам проран перекрыт в верхней части, что увеличит фронт входящего потока и снизит противодействие морской волны самопромывному потоку в живом сечении прорана.
Сужение планового очертания бухты к вершине способствует дополнительному повышению нагонного уровня по сравнению, например,с прямоугольной бухтой, что в итоге способствует дополнительному повышению скорости самопромывного течения. Руководствуясь этими положениями, автором разработана так называемая самопромывная камера, в принципе аналогичная переустроенной бухте. Самопромывная камера может использоваться в составе водоприемного канала, являясь его головной частью, или отдельно, в качестве самостоятельного водоприемника (рис.5.2).
Конструкция самопромывной камеры в составе канала характеризуется следующими признаками (5.2а,б). Боковые дамбы камеры расположены так, что образуют в плане раструб, обращенный широкой стороной к морю. Между дамбами - открылками раструба устанавливаются два затопленных порога. Внешний порог (со стороны моря) устанавливается в самой широкой части раструба и имеет проран. Другой, сплошной, устанавливается в наиболее суженной части раструба.
Самопромывная камера с прораном в центре внешнего затопленного порога применяется в условиях разнонаправленного волнения (рис.5.2а); камера, имеющая проран сбоку внешнего порога, используется в условиях преобладания волнения с какого-либо одного направления ( рис. 5.26).
В живом сечении по продольной оси внешнего затопленного поро га во время волнения наблюдается четкая вертикальная стратификация потоков, разделяющихся на входящий (над гребнем внешнего порога) и выходящий, направленный через проран. При определенном подборе соотношения ширины прорана Впи общей длины внешнего затопленного порога I входящий поток движется над гребнем внешнего порога по всей его длине, захватывая боковые участки живого сечения прорана до критических глубин. Входящий поток представлен последовательно проходящими и разрушающимися над внешним порогом волнами. Миновав внешний порог, входящий поток направляется к внутреннему затопленному порогу . Протекая над массой воды, расположенной ниже гребня внешнего порога, взаимодействуя с ней и встречая преграду в виде внутреннего порога, он обусловливает нагон как в камере, так и в остальной части канала. Нагон возбуждает поток самопромыва, формирующийся непосредственно в камере. Перед внутренним порогом входящий поток резко опускается и, отражаясь от него, направляется в нижних слоях воды как самопромывное течение к прорану, захватывая и транспортируя наносы, все более сосредотачиваясь на подходе к прорану и достигая максимальных скоростей в его живом сечении. Самопромывное течение почти полностью занимает живое сечение прорана, усиливаясь при прохождении ложбины водны и ослабевая при прохождении гребня, но неизменно оставаясь направленным из камеры в море.
Часть входящего потока, равная примерно расходу водозабора,от-ветвляется за внутренний затопленный порог. Большие расходы за внутренний порог не проходят из-за подпора, созданного в транзитной (русловой) части канала (участок канала за внутренним порогом; лицом к берегу) ветро-волновым нагоном. Это создает в этой части канала равномерное, без водоворотов и застойных зон движение воды к насосной станции. Такого рода гидравлика течений на значительной длине сооружения непосредственно перед водоотбором является положительным признаком водоприемника.
По выходе из прорана струя самопромывного течения расширяется как затопленная струн и скорости в ней падают, хотя значительной наносотранспортирующей способности она не теряет на относительно большом протяжении, равном примерно длине волны [і77] . Помимо влияния на интенсификацию самопромывного течения фактора разрушения волн над внешним порогом и компоновки боковых дамб в виде раструба, определенную роль (как было нами установлено в процессе модельных исследований) играют угол подхода волн оС к внешнему порогу (угол между линией фронта волны и продольной осью внешнего затопленного порога),длина внешнего порога t (без учета ширины прорана), длина камеры L , длина прорана Вп , соотношение В% (рис.5.2).
С увеличением оО уменьшается расход входящего потока. Входящий поток прямо пропорционален величине I- . Длина камеры должна быть несколько больше средней длины волны в шторме во избежание проскакивания ее гребня за внутренний порог, в результате чего может повыситься попадание взвешенных наносов в транзитную часть канала.
