Введение к работе
Актуальность проблеми
В составе компоновок гидроузлов любого назначения всегда имеются водопропускній гидротехнические сооружения; отличающиеся чрезвычайно большим функциональным и конструктивным многообразием. Характерной особенностью их условий рабоги является наличие в пределах сооружения нескольких участков со сложными гидравлическими режимами, которые зачастую существенно влияют на конструкцию водовода и их концевых частой. Водопропускные сооружения совершенствовались на протяжении всей своой истории, особенно в последние десятилетия в связи со строительством крупных гидроузлов. К обоснованию их конструкций предъявляются дополнительные требования как с точки зрения гидравлических расчетов, в которых необходимо учитывать гидродинамические, аэрационныо, навигационные и другие аспекты, так и экологические требования. Поэтому создалась необходимость разработки новых конструктивных решений водопропускных сооружений на основе экспериментальных исследований, выполненных на крупномасштабных моделях с учогом натурных наблюдений за их работой. Несмотря на накопленный многовековой опыт возведения водопропускных сооружений оказалось, что относительно слабо разработаны головные части траншейных водосбросов, напорные и открытые участки водоводов, конструкции камер гашения и насадков конусных затворов, защита их элементов от навигационных повреждений и др.
Непосредственно в зоне поступления потока в пределы водопропускного сооружения при устройстве траншейного водосброса возникает круг задач, связанный с усовершенствованием конструкций. их головных частей, которые нуждаются в обстоятельном изучении. Так, необходимо надежно запроектировать траншею, отводящий канал и порог за ним, решив при этом комплекс вопросов взаимоувязанной работы последних с нижерасположенными участками водопропускного сооружения.
Возникает свой круг задач при движении потока в закрытых напорных водоводах бетонных плотин в связи с необходимостью получения кинематических и гидродинамических характеристик потока в пределах этих участков разной длины, но с одинаковой конфузорно-стью в конце их.
Непосредственно в зоне поступления потока на водосливную граьх. плотины осуществляется его аэрация и разбухание. Аэрация потока в придонной зоне является эффективным средством защиты водосливных поверхностей or кавигационной эрозии. В последние годы возникла необходимость применения этого метода защиты от кавитации водосливных поверхностей открытых водосбросов арочно-гравига-ционных плотин, имеющих большие удельные расходы и уклоны водосливных граней.
В связи с применением воздуха для защиты от кавитации возник комплекс слабоизученных вопросов, связанный с необходимостью изучения влияния аэрированного потока в сжатом сечении на вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка. При обтекании высокоскоростным потоком элементов водопропускных сооружений (неровностей поверхностей, гасителей энергии, расщепителей потока и др.) обычно возникает кавитация, которая может привести к навигационным разрушениям. До последнего времени моделирование кавитацион-ной эрозии затруднялось ввиду отсутствия, эквивалентных бетону, модельных материалов. Отыскание состава подобных материалов повысит надежность прогнозирования кавитационной эрозии для натурных условий. Известно, водопропускные сооружения оборудуются затворами различных типов. В тех случаях, когда необходимо относительно точное регулирование сравнительно небольших расходов воды, на водопропускных сооружениях применяют конусные затворы. Недостаточная изученность их работы с камерами гашения и насадками является одной из причин редкого применения конусных затворов в нашей стране.
Создание комплекса методов расчета и конструкций различных элементов водопропускных гидротехнических сооружений, учитывающих результаты теоретических и экспериментальных исследований гидрав-л. эеских условий их работы, приводящих к решению вопросов назначения их конструктивных размеров и повышению надежности функционирования, является решением важной народнохозяйственной проблемы в области обоснования возводимых объектов гидротехнического строительства, которая способствует ускорению научно-технического прогресса в эюй отрасли.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Московского гидромелиоративного института и Научно-исследовательского института энергетических сооружений (11ШЭС), а часть - в рамках Государственной программы 0.01.289 Д.
"Исследование факторов, влияющих на навигационную эрозию п разработка технологии изготовления бетона с полимерными добавками для повышения навигационной стойкости".
Цель и задачи работы
Цель - создать на основе экспериментальных и теоретических исследований новые метода расчетов и конструирования элементов водопропускних сооружений речных гидроузлов с учетом экологических аспектов пх предстоящей эксплуатации.
Для реализации поставленной цели предполагалось решить следующие основные задачи:
-
Усовершенствовать конструкции п разработать методы расчетов головных частей открытых траншейных водосбросов, в том числе выполненных в виде узких в глубоких траншей.
-
Экспериментально обосновать на моделях крупного масштаба кинематические и гидродинамические параметры потока в криволинейных напорных водоводах разной длины, пмоод.пх одинаковую коифузор-носгь.
-
Применить и обосновать методы защиты от кавитационной эрозии- с помощью аэрации потока, на водосливных поверхностях высоких плотин, отличающихся большими уклонами сливных граней и удельными расходами.
-
Ка основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику определения потерь энергии на водосливных гранях аэрированным потоком, определить его вляянир на вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка и пульсацию давления.
-
Создать новые, эквивалентные бетону, модельные материалы для исследования кавитационной эрозии и на их основе разработать приближенные методы ее прогнозирования на элементах водопропускных сооружений, а также осуществлять подбор безэрозионных конструкций.
-
Оценить уровень акустической энергии, генерируемой ка-вигирующим потоком при обтекании выступа, с целью усган вленг: связи между кавитационной эрозией, пульсацией давление и названной энергией.
-
Предложить надежные новые насадки для конусных затворов, расширить их применение с камерами гашения и разработать методы расчетного обоснования этих конструкций.
Научная новизна. Разработаны и экспериментально проверены
на моделях конструкции головных частей траншейных водосбросов, в том числе конструкции узких глубоких траншей. Предложена методика определения их параметров,а также переходных участков за ними.
Экспериментальными исследованиями доказано, что кинематические и гидродинамические характеристики потока в напорных участ-. ках водосливных плотин, имеющих разную длину, но одинаковую кон-фуэорн»с№» йр» определенных соотношениях их длин не отличаются.
Экспериментально обоснованы методы защиты водосливных поверхностей плотин с большими уклонами и удельными расходами от навигационной эрозии, с помощью аэрации придонных слоев потока.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения потерь энергии аэрированных потоков на водосливных гранях плотин больших уклонов и учета возду-хосодержания в потока при сопряжении бьефов. Показано влияние масштаба модели на развитие аэрации потока.
Впервые созданы,эквивалентные батону, модельные материалы для исследования навигационной эрозии, позволившие осуществлять прогнозирование навигационной эрозии на элементах водопропускных сооружений.
Созданы безэрозионные и разработаны усовершенствованные конструкции элементов водосбросных сооружений.
Установлено, что акустическая энергия, генерируемая кавитацией за выступом сосгавляег значительную часть от полной удельной энергии потока. Выявлено, что с помощью ультразвуковой энергии, излучаемой кавигирующим потоком,можно приближенно оценить относительную интенсивность кавигационной эрозии.
Разработаны новые насадки и усовершенствованные конструкции камер гашения для конусных затворов. Предложена методика определения гидравлических параметров потока при истечении из конусных затворов: в атмосферу, насадки и камеры гашения.
Практическая ценность и реализация работы Предлагаемые научно обоснованные методы расчетов и конструирования элементов водопропускных гидротехнических сооружений позволяют запроектировать последние более надежными, снизить их стоимость, а в ряде случаев улучшит экологическую обстановку в нижних бьефах гидроузлов. Применение их в практике будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в гидротехническом строительстве.
Внедрение основных результатов исследований на ряде гидроузлов (Токгогульском, Саяно-Шушенском, Туполангском, Аргемовском и др.) позволило получить значительный экономический эффект и повысить эксплуатационную надежное!"', элементов водопропускных сооружений.
Разработанные методы расчетного обоснования и конструкции водопропускных сооружений были использованы при. составлении "Рекомендаций по учету кавитации при проектировании водосбросных гидротехнических сооружений" (П.38-75, 1976), в справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений" (Энергоатомиздаг,1988, С.424-426), в пособии к СНиП 2.06.01.86 (разделы 3, 5, 6, II) и СНиП 2.06.03.85 (раздел 4) "Проектирование гидротехнических сооружений водохозяйственного назначения" (Москва,1989, C.I84), а также они вошли в чзтырэ учебные пособия для студентов гидротехнических специальностей высших учебных заведений.
Апробация работы. Основные положения научных разработок неоднократно обсуждены и одобрены на: ежегодных научно-гехничес"их конференциях МГМИ (г.Москва, 1972-1978 и 1983-1992 гг.); треіьем научно-техническом совещании Гидропроекга по подведению итогов ' научно-исследовательских работ в области энергетического и водохозяйственного строительства за девятую пятилетку и рассмотрению задач десятой пятилетки (г.Москва,ГЭ76г.); координационных совещаниях по гидротехнике (г.Ленинград, 1974-1976,198? гг.); научно-технической конференции "Эффективность комплексных научных исследований для Саяно-Шушенской ГЭС (г.Ленинград, 1977г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Методы исследования и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений" (г.Ленинград, 1984г.); Всесоюзной научно-практической конференции молодых ученых "Экологическое совершенсгворяние мелиоративных систем", ШИиГиМ (г.Москва, 1989г.); на НУ конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (г.Иариж,І97Іг.ї; симпозиуме МАГИ по кавитация в гидромашинах (Франция.Греноболь,1976".); конференциях Института гидравлики (Гавана,Куба, 1978-81 гг.); научно-техническом совещании "Гидравлика гидротехнических сооружений",ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева (С.-Петербург, 1992г.).
Публикации. Основные научные достижения опубликованы в 41 печатной работе, 4-х учебных пособиях для студентов вузов и слу-
шаге чей факультетов повышения квалификации гидротехнических специальностей и 5 авторских свидетельствах на изобретение.
Личный вклад в решение проблемы
работа является результатов многолетних исследований автора, выполненных на кафедре гидротехнических сооружений МГМИ и в Научно-исследовательском институте энергетических сооружений (НИИЭС, бывший НИС Гимропроекта им. С.Я.Жука).
Постановка проблемы и формирование всех рассмотренных задач, экспериментальные и теоретические пути их решений, анализ, итоговые выводы осуществлены лично автором. Лабораторные и теоретические исследованая по конусным загворам с камерам.і гашения а насадками осуществлялись аспирантами В.П.Куприяновым, И.В.Ким, а по головным частям траншейных водосбросов - аспирантами Н.М.Даниловым и А.О.Очиловым при непосредственном участии и под руководством автора.
Разработка новых материалов для навигационных исследований а методика прогнозирования навигационной эрозии осуществлялись совместно с д.г.н.,проф. Н.П.Розановым.
В экспериментальных и теоретических исследованиях, выполненных в НИИЭС, принимали участие Д.И.Бадаева, Р.С.Гальперин, Л.АоЗолотов, Я.Д.Ленгяев, И.С.Новикова, В.М.Семенков, Л.В.Смирнов, С.Л.Шорин, А.Г.Шубин, за что автор им приносит глубокую благодарность. В этих исследованиях автор являлся руководителем работ или ответственным исполнителем темы.
При постановке ряда перечисленных задач и подготовке' работы автор получил ценные советы д.г.н.,проф. Н.П.Розанова, а при подготовке доклада - д.г.н.,проф. И.С.Румянцева.
На защиту представляются:
усовершенствованные конструкции головных частей траншейных водосбросов;
новые и усовершенствованные конструкции напорных участков водосбросов бетонных плотин;
экспериментальные и теоретические обоснования по защите водосливных поверхностей арочно-гравитационных плотин от навигационных явлений;
разработанная методика определения потерь энергии на водосливных гранях аэрированным потоком и его влияние на вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка;
новые конструкции насадков и камер гашения для конусных затворов;
материалы для моделирования навигационной эрозии и ее прогнозирования в натурных условиях, а также некоторые новые конструкции базэрозионных элементов водопропускных сооружений;
результаты количественной оценки и связи акустической энергии, генерируемой кавитирующим потоком за выступом, о пульсацией давления потока и навигационной эрозией.
