Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежное обеспечение продовольствием, сельскохозяйственным и промышленным сырьем Республики Беларусь связано с дальнейшим развитием сельскохозяйственного производства, преобразованием инфраструктуры села, восстановлением земельного фонда и защитой его от наводнений и затопления, интенсификацией использования богатейших водных ресурсов для целей водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики.
В разработанных и утвержденных правительством "Основных направлениях развития мелиорации земель и их использования в Республике Беларусь" вопрос снижения материальных затрат рассматривается одним из приоритетных направлений в проектировании, строительстве и эксплуатации (реконструкции) мелиоративных систем и водохозяйственных комплексов.
Эффективность водохозяйственных объектов во многом определяется уровнем их инженерно-технического оснащения и, в первую очередь, многочисленными водопропускными гидротехішческими сооружешіями, которые в комплексе с другими шгженерными сооружениями призваны обеспечить аккумуляцию стока, его распределение, управление водным режимом объекта.
Применение на эксплуатируемых и планируемых объектах водопропускных сооружений с высокой материалоемкостью и стоимо- < стью явилось одной из основных причин резкого снижения в последние годы объемов и темпов водохозяйственного строительства.
Многие годы в водохозяйственном строительстве применялись сооружения массивной конструкции. Еще в 80-е годы на возведение водосбросного сооружения низконапорного речного гидроузла на расход воды до 150 -200 ь?1с требовалось до 4 тыс.м3 бетона и железобетона, а на 1000 га осупштельно-увлажнительной сети приходилось от 40 до 55 сооружений с расходом бетона и железобетона от 0,5 до 1,2 м3 на 1 га мелиорируемой площади. Поиски путей удешевления водопропускных сооружений привели к созданию ряда усовершенствованных типов и конструкций. Однако, несмотря на достигнутые положительные результаты, удельная материалоемкость и стоимость водопропускных сооружений остается весьма высокой. По оценке ряда институтов на строительство водопропускных сооружений приходится от 30 до 60 % стоимости всего объекта (речного гидроузла, мелиоративной системы). При этом удельные материальные затраты (на один кубометр расчетного расхода воды) составляют: для водосбросных сооружений речных низконапорных гидроузлов: бетона - 5...30 м3, арматурной стали - 0,5...3 г, для сооружений на мелиоративных каналах: бетона -2...8 м3, арматурной стали - 0,6...2,5 т.
Сложность гидравлических явлений, разнообразие режимов движения потока через водопропускные сооружения, особенно в пространственных условиях, недостаточная изученность этих процессов не всегда дают возможность выбрать наиболее рациональную конструкцию и размеры сооружения, состоящего, как правило, из отдельных частей или модулей, что наиболее характерно для малопролетных водопропускных низконапорных сооружений. Накопленный многовековой опыт водохозяйственного строительства предлагает, в основном, традиционные методы конструктивного и расчетного обоснования средних и крупных водопропускных сооружений. Применение этих методов для низконапорных сооружений, возводимых на маловодных водотоках, не дает во многих случаях однозначных и эффективных решений.
Возможность учета многофакторных условий пространственной работы водопропускных малопролетных сооружений обеспечивает эксплуатационную надежность и экономичность многочисленных сооружений мелиоративных систем и речных гидроузлов, является решением важной народнохозяйственной проблемы и новым достижением в области научно-обоснованного расчета и проектирования в водохозяйственном строительстве.
Цель работы. Разработать на основе теоретических и экспериментальных исследований практические рекомендации по обоснованию конструкции, методологии расчета и проектирования материало-емких частей (модулей) водопропускных низконапорных сооружений с применением пространственных конструктивных форм и эффективных способов гидравлики.
Поставленная цель включает решение следующих задач: дать обоснования по выбору типа водопропускных сооружений, способов сопряжения бьефов и способов гашения избыточной водной энергии с учетом особенностей строительства и эксплуатации водохозяйственных объектов на малых водотоках;
систематизировать результаты исследований и дать практические рекомендации по методики определения гидравлических параметров потока, краевых условий формообразований на сопрягающем участке нижнего бьефа с учетом влияния режима истечения и конструктивных форм водовыпускного отверстия и сопрягающего русла;
разработать конструкцию, основы расчета и проектирования устройств нижнего бьефа с гасителями решетчатого типа для малопролетных водосбросов-водоспусков;
обосновать конструкцию и предложить методику расчета устройств нижнего бьефа, обеспечивающих эффективное гашение водной энергии путем соударения потоков для трубчатых водопропускных сооружений, возводимых на мелиоративных каналах;
разработать облегченную экономичную конструкцию, методическое и расчетное обоснование открытого водосброса (плотины) для речных гидроузлов (прудов и водохранилищ);
Научная новизна. Разработаны, научно обоснованы и экспериментально проверены облегченные конструкции водопропускных сооружений нового поколения, основанные на применении пространственных конструктивїшх форм , в которых наиболее полно реализуются механические свойства строительных материалов и эффективные способы гидравлики , что дает возможность существенно сократить материалоемкость и стоимость гидротехнического и мелиоративного строительства. Получили дальнейшее развитие методы определения преимущественного применения типов сооружений, конструкций отдельных их частей или модулей, способов сопряжения потока и способов гашения водной энергии; методы определения геометрических и гидравлических параметров и форм потока на участке сопряжения бьефов, учитывающие режим истечения и геометрическую форму водовыпускного отверстия, форму сопрягающего русла;
разработаны новая конструкция и методика расчетного обоснования решетчатого гасителя активного действия применительно к пространственным условиям сопряжения бьефов за малопролетными водосбросными сооружениями, включая: обоснование геометрической формы, принципиальной конструкции и области применения; гидравлику устройства как гасителя водной энергии; расчетное обоснование конструктивных параметров элементов гасителя; определение гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную плиту с установленным гасителем; обоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с решетчатыми гасителями при донном и поверхностном режимах сопряжения;
осуществлено совершенствование конструкции и методологии расчетного обоснования устройстз нижнего бьефа с применением технических средств деления потоков и гашения энергии соударением струй применительно к трубчатым малонапорным сооружениям, включая: обоснование способа деления потоков и соударения струй; определение гидравлических и геометрических параметров разделяемого потока и соударяемых струй; определение эффективности и области преимущественного применения способа деления и соударения для гашения; обоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с применением делителя потока для сопряжения бьефов и гашения энергии;
разработаны новые тип и научно-методическое обоснование водосливной плотины с решетчатым сливом и камерой гашения водной энергии, включая: определение гидравлического профиля, конструкции и геометрических параметров сооружали; методику гидрав-
лического расчета решетчатого водослива-быстротока; обоснование удельных расходов через сооружение и на рисберме; определение гидродинамических воздействий на водобойную плиту и решетчатый водослив; оценку гидравлического режима сооружения как двухъярусного водослива с камерой гашения; обоснование условий сопряжения бьефов и гашения энергии, геометрических параметров устройства нижнего бьефа.
Практическая и экономическая значимость. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Белорусской сельскохозяйственной академии, ААН РБ и является частью государственной научно-технической программы в области мелиорации и водного хозяйства Республики Беларусь, частью проблемы 0.04 "Гидротехнические сооружения на мелиоративных системах", одобренной ГКНТ СССР на 1986-1990 гт. Целевые исследования проведены по заданию Минводхоза БССР согласно Постановлению Госстроя СССР (N248 от 21.10.87), по заданию ГК Белмелиоводхоз, по заказу институтов Белгипроводхоза, Полесьегипроводхоза, Пермьгипровод-хоза, Союзводпроекта при научной координации работ БелНИИМиЛ, УкрНИИГиМ, ЮжНИИГиМ.
Предложенные новые и усовершенствованные технические решения, научно-обоснованные комплексные методы расчетного и проектного обоснования позволяют выбрать рациональный тип и запроектировать рациональную конструкцию водопропускного сооружения для мелиоративных и водохозяйственных объектов с учетом их природных, строительных и эксплуатационных условий, моделировать направления дальнейшего развития и совершенствования перспективных конструкций.
Сформулированные в диссертации, научных статьях и научных отчетах технические решения, методы расчетов и проектирования ис-лользованы в четырех типовых проектах, разработанных Государственными проектными институтами Белгипроводхоз и Полесьегипро-водхоз:
"Типовой проект 88/318. Водосбросы открытого типа с решетчатой сливной гранью на расход воды от 100 до 250 м^с и напором до 10 м." -Мн.: Белгипроводхоз, 1988.
"Типовые проектные решения. Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4-12 м для прудов и малых водохранилищ". - Мн.: Белгипроводхоз, 1981.
"Типовые проектные решения. Решетчатые гасители энергии водного потока на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м". - Мн.: Белгипроводхоз, 1992.
"Типовой рабочий проект. Трубчатые регуляторы и переезды с ныряющими оголовками и плитами-растекателями". - Пинск: По-лесьегипроводхоз, 1996.
Теоретические и экспериментальные исследования легли в основу учебного пособия-монографии "Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов" (18,5 п.л.), "Облегченные конструкции водопропускных сооружений" (10 п.л.), а также используются в учебном процессе в БСХА и других учебных подразделениях водохозяйственного профиля.
Предложенные технические решения, их расчетные и проектные обоснования предназначены для ведомств и организаций, занимающихся мелиоративным и водохозяйственным строительством, включая реконструкцию и строительство новых объектов. По технико-экономическому уровню эти решения отвечают, а по ряду показателей превосходят известные мировые аналоги и могут успешно применяться на всей территории Республики Беларусь, в других регионах с существенным экономическим эффектом (до 20...30 % экономии на одном сооружении).
Основные научно-практические положения, выносимые на защиту:
новые технические решения облегченных конструкций водопропускных низконапорных сооружений массового применения, методологию их расчетного обоснования, включая:
практические решения по выбору типа водопропускных низконапорных сооружений, способов пространственного сопряжения бьефов и гашения энергии; определению параметров потока на участке сопряжения; :
теоретические, расчетные и экспериментальные обоснования решетчатых гасителей активного (реактивного) действия, включая: новые технические решения, пограничная область которых удалена при помощи гасителя от донной (русловой) поверхности в глубь потока; определение области преимущественного применения этих уст- ройств; гидравлику решетчатых гасителей активного действия; обоснование рациональных конструктивных параметров гасителя, методику определения гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную его часть (плиту); рациональные компоновочные решения устройств НБ с решетчатым гасителем;
теоретические, расчетные и проектные обоснования устройств нижнего бьефа, работающих на принципе деления-соударения потоков, адаптированных для трубчатых водопропускных сооружений, включая: инженерно-техническое решение, обеспечивающее деление потока на выходе из водовыпускного отверстия на пропорциональные части с последующим их растеканием и соударением; определение области преимущественного применения этих устройств; гидравлику делителя-растекателя, обеспечивающего сопряжение потоков, работающего в условиях пространственной задачи; обоснование рациональной пропорциональности деления потока на части или струи, при
соударении которых обеспечивается наиболее эффективное гашение водной энергии; определение рациональных геометрических параметров гасителя и рациональных компоновочных решений устройств нижнего бьефа с их применением;
теоретические, расчетные и проектные обоснования водосливной плотины облегченного типа с решетчатым сливом и камерой гашения для речных гидроузлов, включая: новое техническое решение, выполненное в форме экономичной пространственной конструкции, в которой наиболее полно используются физико-механические свойства строительных материалов и статическая взаимосвязь системы "сооружение-среда"; гидравлику решетчатых водоскатов (водозаборов) с большим уклоном, разработанную с учетом конструктивных особенностей сооружения, методику определения рациональных геометрических параметров сооружения, определение гидродинамических воздействий на водобойную часть и элементы решетчатого слива.
Личный вклад автора в решение проблемы Диссертация является результатом многолетних исследований, проводимых автором на кафедре гидросооружений и водоснабжения факультета мелиорации и водного хозяйства Белорусской сельскохозяйственной академии, в лаборатории гидросооружений МИСИ, на натурных мелиоративных и водохозяйственных объектах.
Обоснование и постановка проблемы, формирование программы и рассмотренных задач, методического подхода к их реализации, теоретические и расчетные обоснования и анализ результатов исследований осуществлены лично автором.
Экспериментальные исследования проводились при личном по
стоянном участии, исполнении и научном руководстве при содействии
и участии аспирантов и сотрудников научной группы, руководимой
автором диссертации. '
При формулировании ряда задач и в ходе их реализации автор диссертациии получил ценные советы от проф. С.М.Слисского, проф. Н.П.Розанова, проф. Э.И.Михневича, проф. И.С.Румянцева. В выполнении гидродинамических исследований, составлении программ для ЭВМ принимали участие сотрудники ЭВЛ БСХА, и лаборатории гидравлики и гидросооружений МГУП (А.В. Мацея, А.Ю. Кузьмина).
Апробация работы Основные результаты выполненных автором исследований, приведенные в диссертации, докладывались, обсуждались и одобрены на Межведомственной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования мелиоративных земель", УНИВХ, Ровно, 1984; на Всесоюзной конференции "Применение облегченных конструкций гидротехнических сооружений в водохозяйственном строительстве", ЮжНИИГиМ, Краснодар, 1980 г.; на межведомственных научно-технических конференциях и
семинарах ЮжНИИГиМа, Новочеркасск, 1981, 1982, 1987 г.г.; на Межведомственной научно-технической конференции УкрНИИГиМа, Киев, 1983 г.; на научно-техническом Совете института Белгипровод-хоз в 1988-1992 гг.; на научно-техническом Совете института По-лесьегипроводхоз в 1987, 1992 г.г.; на НТС Союзводпроекта Мишод-хоза СССР в 1980, 1983 и 1991 г.г. (Пр. N 867); на ВДНХ СССР в 1985 г. с награждением серебряной медалью; на НТС Минводхоза БССР в 1974, 1984 г.г. и ПС Белмелиоводхоза в 1991- 1996 г.г.; на Республиканском смотрс-коикурсе педагогического мастерства и научного творчества в 1994 г. (с награждением двумя дипломами I ст.); на научно-производственной конференции БГТІА в 1984 г.; на научной конференции МИСИ в 1979 г., МГМИ в 1982 г.; на ежегодных научно-производственных конференциях БСХА в 1968-1996 г.г.
Достоверность научных исследовании апробирована и подтверждена успешной долговременной эксплуатацией ряда объектов, запроектированных и построенных с использованием результатов НИР: "Водохранилище на р.Быстрая" Могилевской области; объекты "Бабиничи" и "Шниты" Витебской области, объекты "Гигант" и "Арабники'' Брестской области, на водохозяйственных объектах Гомельской и Гродненской областей и др.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 42 печатных трудах автора, включая книги : "Водопропускные сооружения шзконапорных гидроузлов" объемом 18,5 п.л., "Облегченные конструкции водопропускных сооружений" объемом 10 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация представлена на 436 страницах машинописного текста, включая 204 рисунка на 147 страшщах, и состоит из введения, пяти частей, заключения, списка литературы из 357 наименовании и приложения, оформленного отдельной книгой на 134 страницах.
