Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение населенных пунктов и промышленных предприятий водой, продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, а гакже ускорение научно-технического прогресса в водохозяйственном лроительстве в значительной мере зависит от применения надежных конструкций, использования совершенных методов расчетного обоснования, внедрения прогрессивных технологий, строительства, эксплуатации и ремонта :ооружений водохозяйственного назначения.
При проектировании и строительстве комплексных речных равнинных низконапорных гидроузлов, в составе которых обычно имеются: водосбросные [шотины, водозаборы с наносоперехватываюшими галереями и рыбозащитными устройствами, ирригационные отстойники, рыбопропускные :ооружения, а иногда и гидроэлектростанции, одной из важнейших проблем галяется правильный выбор компоновки сооружений и их элементов не только из технико-экономических соображений, но и из условий обеспечения их рационального совместного функционирования.
Зачастую эксплуатационные требования одних сооружений не :оответствуют, а иногда и противоречат условиям эксплуатации других. Эсобенности взаимного влияния гидравлических потоков различных водопропускных гидротехнических сооружений и эксплуатационных гребований необходимо всегда учитывать при расчетном обосновании, проектировании и эксплуатации комплексных гидроузлов.
Низконапорные водозаборные гидроузлы, расположенные на реках, гранспортируюших достаточно большое количество мелких наносов, имеют эсобые гидравлические условия в верхнем бьефе. Одной из главных эсобенностей работы таких водозаборов является наличие перед их входом потока с гидравлическими характеристиками, аналогичными речному потоку, <огда перед водоприемником гидравлические параметры последнего принципиально отличаются от характеристик движения воды в водохранилище. В таком случае существующие рекомендации по проектированию компоновки сооружений и эксплуатации водозаборных гидроузлов неправомерны и не всегда могут быть применены на практике.
Комплексные гидроузлы с водозаборными сооружениями на равнинных частках рек, несущих большое количество наносов, весьма часто приходится возводить с отстойниками. Практика показала, что наиболее экономичными и ялдежными являются отстойники с гидравлической промывкой. Их жономичность в последнее десятилетие значительно возросла в связи с :ушественным увеличением стоимости электроэнергии и энергоносителей, гребующихся для осуществления процедуры механической очистки камер от наносов. На низконапорных гидроузлах в ряде случаев недостаточно имеющегося перепада уровней для осуществления гидравлической промывки їамер отстойников. Поэтому проблема совершенствования методов
моделирования осаждения наносов, расчета и эксплуатации отстойников, промывка которых выполняется в условиях подпора со стороны нижнего бьефа (реки), является весьма актуальной.
Для комплексных низконапорных речных гидроузлов схема маневрирования затворами водосбросной плотины в значительной мере зависит не только от обеспечения эффективности гашения избыточной энергии потока в нижнем бьефе, но и от состава, конструкции и компоновки сооружений, а также их взаимного гидравлического влияния. В связи с этим, другой актуальной задачей гидротехники является разработка, с помощью экспериментальных исследований, рациональных схем маневрирования затворами водопропускных сооружений комплексных гидроузлов, реализация которых способствовала бы улучшению гидравлических режимов, особенно в зонах впускных отверстий (входа) рыбопропускных сооружений.
Таким образом, разработка методов расчетного обоснования, проектирования и эксплуатации сооружений комплексных низконапорных речных гидроузлов, основанных на результатах теоретических, лабораторных, натурных исследований и их обобщении, является решением важной народнохозяйственной проблемы, новым достижением в области научного и практического обоснования возводимых и эксплуатируемых объектов гидротехнического и мелиоративного строительства, что способствует ускорению научно-технического прогресса в этой отрасли.
Цель и задачи работы. Цель - разработать на основе теоретических, экспериментальных исследований и натурных наблюдений новые методы расчетов, проекпфования и эксплуатации сооружений речных низконапорных комплексных гидроузлов. В связи с этим предполагалось решить следующие основные задачи:
-
Разработать рациональные решения по компоновке основных сооружений комплексных гидроузлов, имеющих в своем составе водозаборные сооружения, примыкающие к водосбросной плотине, снабженные наносоперехватываюпшми галереями и аванкамерами для размещения рыбозащитных устройств. Предложить расчетные зависимости, позволяющие определять как основные параметры планового расположения водозаборных сооружений и характеристики их пропускной способности, так и параметры конструкций водоприемников.
-
Разработать рациональные конструкции сопряжения водозаборных многопролетных сооружений открытого типа с отстойниками и водозаборных сооружений закрытого типа с магистральными каналами. На основе экспериментальных данных получить расчетные зависимости и создать методы расчетного обоснования параметров конструкций устройств нижнего бьефа и их элементов.
-
Проанализировать существующие натурные и лабораторные данные по движению мелких наносов в открытых потоках и получить обобщенную
связь для определения критической мутности потока в каналах, отстойниках и других водотоках открытого типа.
-
Обосновать с учетом экспериментальных исследований и разработать методы расчета использования отверстий водосбросных плотин комаїексньїх гидроузлов для создания усиленных шлейфов на входе в рыбопропускные сооружения при размещении их: у свободного берега, в средней части водосбросной плотины и у берегового устоя, примыкающего к водозабору с наносоперехватывающими галереями.
-
На основе анализа теоретических данных, результатов натурных наблюдений и собственных лабораторных исследований создать простой, теоретически и экспериментально обоснованный способ расчета динамики осаждения наносов в ирригационных отстойниках, позволяющий определять величину мутности потока и гидравлической крупности наносов на выходе из них.
-
Усовершенствовать и расширить, на основе обобщения результатов существующих и собственных экспериментальных исследований, рекомендации по эксплуатации низконапорных речных комплексных водохозяйственных и энергетических гидроузлов, включающих многопролетные боковые водозаборы с наносоперехватывающими галереями, ирригационные отстойники, работающие в условиях их подтопления со стороны нижнего бьефа, рыбопропускные сооружения и гидроэлектростанции.
Научная новизна.
С помощью экспериментальных исследований показано, что надежная работа бокового многопролетяого водозабора низконапорного гилро>зла зависит от значений его относительных размеров, планового расположения водоприемника и параметра кинетичности потока в верхнем бьефе.
Коэффициент расхода рассматриваемого водозабора, оснащенного наносоперехватывающими галереями и аванкамерами для размещения сетчатых рыбозащитных устройств, может уменьшаться до 20...25%. в зависимости от относительного значения уступа перед водосливом, а коэффициент сопротивления рыбозащитных сеток в условиях жаркого климата может увеличиваться в 5...6 раз, при стабилизации их засорения сине-зеленым планктоном, наступающей в течение 1,5..;2,0 часов.
Теоретически и экспериментально обоснована и проверена методика
определения параметров гасителей энергии, представляющих собой сочетание
рассеивающего порога и водобойной стенки, устраиваемых на сильно
расширяющемся водобое и применяемых в нижнем бьефе водозаборных
сооружений закрытого типа с тремя и более пролетами. Характеристики
предложенных гасителей для рассматриваемых сооружений зависят от
относительных значений энергии потока и перепада на выходе из труб,
центрального угла расширения водобоя, а также параметров потока в нижнем бьефе.
Получены экспериментально обоснованные расчетные зависимости для определения продольных скоростей потока (с учетом пульсации) на водобое а рисберме водозаборных сооружений закрытого типа, снабженных предложенными рациональными гасителями. Установлено, что пудьсационные составляющие скоростей зависят от конструкции устройств нижнего бьефа, относительного значения энергии потока в начале водобоя, величин подтопления труб, местоположения рассматриваемого створа и режимов сопряжения бьефов.
На основе исследований компоновок низконапорных гидроузлов с отметкой гребня водосброса близкой к отметке дна подводящего русла, показано, что конструкция раздельного устоя в верхнем бьефе, размещаемого между водосбросной плотиной и ГЭС и обеспечивающего плавный вход потока в сооружения, не может быть запроектирована традиционным способом, т. к. толщина и другие ее параметры, значения которых приведены в диссертации, соизмеримы с величиной напора на водосливе.
Результатами экспериментальных исследований доказано, что, независимо от местоположения рыбопропускных сооружений (РПС) в створе гидроузла, для формирования усиленного шлейфа привлекающих скоростей целесообразно использовать примыкающие к РПС отверстия водосбросных плотин. Параметры, характеризующие деформацию удельного расхода потока, вькодящего из-под затвора водосбросной плотины, зависят от величин: глубины в нижнем бьефе, перепада на плотине и относительных значений привлекающих скоростей потока, создаваемых на входе в РПС.
На основе обработки и обобщения большого массива существующего объема натурных данных и собственных исследований автора впервые получены данные, которые свидетельствуют, что в каналах и отстойниках критическая мутность потоков с мелкими наносами зависит от абсолютной величины насыщения потока наносами, пропорциональна средней скорости движения воды в первой степени и обратно пропорциональна кубическому корню из произведения гидравлической крупности наносов на гидравлический радиус потока.
Разработан простой и более точный теоретически обоснованный метод расчета динамики осаждения наносов в ирригационных отстойниках, позволяющий определять на выходе из него величину не только мутности, но и осредненной гидравлической крупности наносов.
На базе многочисленных лабораторных исследований и натурных
наблюдений получены общие и частные рекомендации по эксплуатации
гидротехнических сооружений комплексных низконапорных гидроузлов,
включающих многопролетные боковые водозаборы с
наносоперехватывающими галереями, ирригационные отстойники, работающие в условиях их подтопления со стороны нижнего бьефа (реки), рыбопропускные сооружения и ГЭС, которые учитывают взаимное влияние потоков вышеуказанных сооружений.
Практическая ценность и значимость работы. Предлагаемые научно обоснованные, эксаериментально подтвержденные и в значительной степени проверенные в натурных условиях методы расчетов и конструирования гидротехнических сооружений комплексного водохозяйственного назначения позволяют проектировать их более надежными и экономичными, снизить затраты на эксплуатацию гидроузлов и отдельных сооружений, а также улучшить экологическую обстановку в зоне водохранилищ и каналов. Применение разработанных методов на практике будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в области гидротехнического и гидромелиоративного строительства.
Разработаны современные методы расчетов, которые позволяют определять необходимые параметры рациональной компоновки водозабора и служат для применения их в условиях низконапорных равнинных гидроузлов при относительно больших числах Фруда на подходе к створу основных сооружений.
На основе проведенных исследований впервые разработана методика использования, примыкающих к РПС, пролетов плотины и определения величин их открытия при размещении рыбопропускных сооружений у берегового устоя, примыкающего к водозабору с наносоперехватывающими галереями; у правобережной дамбы при русловой компоновке сооружений гидроузла с разделением русла в нижнем бьефе на две протоки; у свободного берега при пойменной компоновке; в средней части многопролетной водосбросной плотины.
Для различных компоновок гидротехнических сооружений разработаны схемы маневрирования затворами водосбросной плотины, работающей как в индивидуальных условиях, так и в составе комплексных водохозяйственных гидроузлов, в том числе при наличии ГЭС, для условий первых лет эксплуатации и после образования воронки местного размыва близкой к ее стабилизации.
Создана простая и более точная методика расчета ирригационных отстойников в стадии их заиления и промывки в условиях подтопления их со стороны нижнего бьефа. Получен совершенный метод для определения критической мутности потоков, который позволит проектировщикам и эксплуатационникам правильно и оперативно прогнозировать режимы и параметры магистрального и других каналов оросительной сети.
Результаты основных разработок внедрены на отечественных и зарубежных водохозяйственных объектах: на гидроузлах - Верхне-Утшском, Подольском, Михайловском, Феллулжа (Ирак), Сурском; на Шлюзе-регуляторе №2 Кубань-Калаусской оросительной системы (ШР №2); на регуляторе крупнейшего в мире канала Тартар-Евфрат (Ирак). Это позволило получить значительный экономический эффект и повысить эксплуатационную надежность как отдельных сооружений так и гидроузлов в целом.
Разработанные конструкции, методы расчетного обоснования,
проектирования и эксплуатации речных сооружений комплексного
водохозяйственного назначения вошли: в справочное пособие
«Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений»
//Энергоатомиздат, 1988, п. 27.3, 27.6; в пособие к СНиП 2.06.01-86 и СНиП
2.06.03-85 «Проектирование гидротехнических сооружений
водохозяйственного назначения» // ВО Союзводпроект, 1989, главы 6 и 7; в «Рекомендации по технической эксплуатации бетонной и грунтовой плотин Сурского гидроузла» (1987); в научную монографию «Устройства нижнего бьефа водосбросов» // Колос, 1984, в учебное пособие автора для вузов «Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений» // ВО Агропромиздат 1989; в учебник «Особенности проектирования и строительства гидротехнических сооружений в условиях жаркого климата» // Колос, 1993 и другую учебную литературу для вузов.
Результаты исследований, выполненные в рамках диссертации и подтвержденные авторским свидетельством, были переданы в Союзводпроект, Союзгипроводхоз, ОКБ Гидропроекта, Тартарпроект (Ирак) и другие проектные и проектно-производственные организации, а также учтены при составлении (в соавторстве) типовой программы дисциплины «Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений», утвержденной Госагропромом для использования ее в вузах страны.
Личный вклад в решение проблемы. В диссертации представлены результаты многолетних исследований автора, выполненные в значительной части под руководством д. т. н., проф. 1Н. П. Розанова | в лабораториях: кафедры Гидротехнических сооружений МГУП (бывшего МГМИ); НИИЭС (бывшем НИС) Гидролроекта им. С. Я. Жука; Хиндия (Ирак, 1974...75 г.г.) и на открытой площадке гидроузла Феллуджа (Ирак, 1979...1981 г.г.).
Постановка проблемы, теоретические и экспериментальные решения всех рассмотренных задач, анализ окончательных выводов и рекомендаций выполнены лично автором. Практически во всех работах автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем и непосредственным исполнителем, кроме исследований, проведенных для Михайловского гидроузла, где автор был участником исследований в качестве младшего научного сотрудника.
Участие соавторов выражается следующим образом. Исследования, проведенные для канала Тартар-Тигр, выполнены совместно с д. т. н., проф. И. С. Румянцевым под научным руководством д. т. н., проф. Н. П. Розанова. Во время подготовки текста Пособия к СНиП 2.06.01-86 и СНиП 2.06.03-85 автор являлся руководителем и исполнителем темы на кафедре Гидротехнических сооружений МГМИ. Два параграфа (27.3 и 27.6) в справочном пособии «Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений» подготовлены автором под научным руководством д.т.н., проф. Н. П. Розанова. Исследования по Верхне-Упинскому и Подольскому гидроузлам, по шлюзу-
гулятору Кубань-Калаусской оросительной системы (ИГР №2) проводились торам данной работы под научным руководством д. т. н., проф. Н. П. ізанова, при участии аспиранта В. С. Чехонадских и инженера Т. В. йдабрус. Исследования на Сурском гидроузле были выполнены под учным руководством и непосредственном участии автора, при дальнейшем учном руководстве д. т. н., проф. А. Т. Кавешникова (однако эта часть боты не вошла в диссертацию) и участии аспиранта А. В. Варывдина, м. н. с.
А. Чернышовой. Исследования нижнего бьефа трубчатых сооружений гаолнены автором под научным руководством д. т. н., проф. Н. П. Розанова, гследования компоновок сооружений и модели отстойника гидроузла еллуджа выполнялись под научным руководством и при непосредственном іастии автора. Научным консультантом этих исследований был д. т. н., проф. . П. Розанов. В исследованиях отстойника гидроузла Феллуджа участвовали иске инженер Н. С. Хуторов и к. х. и. М. Н. Мостовой.
При постановке ряда вышеперечисленных задач, их реализации, а также по гре формирования автора как научного работника и специалиста юценимую помощь ему оказал видный ученый- гидротехник Заслуженный ;ятель науки и техники РСФСР д. т. я., проф. ІН. П. Розанов! При анализе атериалов, написании и редактировании диссертации автором были элучены ценные научные советы и конкретная помощь по работе от его іучного консультанта д. т. н., проф. И. С. Румянцева.
Автор выражает свою искреннюю признательность всем членам кафедры Гидротехнические сооружения» МГУП, а также ученым и специалистам, казывавших ему поддержку и помощь на всех этапах выполнения и іробации настоящей работы.
а защиту выносятся:
- новая, экспериментально проверенная методика проектного обоснования
эмпоновки и конструирования элементов водозаборного сооружения
окового типа в составе комплексного речного низконапорного гидроузла;
теоретически и экспериментально обоснованная методика расчета араметров, предложенных автором рациональных конструкций устройств ижнего бьефа водозаборных сооружений открытого и закрытого типа;
экспериментально подтвержденный метод определения продольных ульсационных скоростей потока в нижнем бьефе водозаборных сооружений ікрьітого типа, снабженных рекомендуемыми рациональными гасителями;
конструкция и рекомендации по обоснованию параметров раздельного стоя в верхнем бьефе, устраиваемого между водосбросной плотиной (при тсутствии уступа перед ее водосливом) и гидроэлектростанцией на речных авнинных низконапорных гидроузлах;
способ формирования усиленных шлейфов с привлекающими скоростями а входах в рыбопропускные сооружения, размещаемые у свободного берега, в редней части водосбросной плотины, и у берегового устоя, а также у окового водозабора с НПГ, путем использования примыкающих
отверстий водосбросных плотин и метод для определения величин их открытия;
усовершенствованная методики моделирования концентрации взвешенных наносов, осаждающихся в ирригационных отстойниках;
новый метод для определения критической мутности потока, несущего мелкие наносы в каналах, отстойниках и других водотоках; гидравлической крупности наносов в конце ирригационных отстойников в зависимости от величины мутности потока на а\ входе, полученный на основе обобщения многочисленных натурных и лабораторных данных;
простой, новый, и более точный метод расчета осаждения наносов в ирригационных отстойниках, позволяющий определить величину мутности и гидравлической крупности наносов на выходе из них;
рекомендации по эксплуатации гидротехнических сооружений
комплексных низконапорных гидроузлов, с учетом их взаимного влияния,
включающих многопролетные водосбросные плотины, рыбопропускные
сооружения, многопролетные боковые водозаборы с
наносоперехвагывающими галереями и ирригационные отстойники, работающие в условиях подтопления их со стороны реки.
Апробация работы. Основные положения научных разработок неоднократно обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях МГМИ (г. Москва, 1973...1974, 1976...1978, 1982...1987г. г.) и МГУП (1996 и 1997 г. г.), института Гидропроект им. С. Я. Жука (г. Москва,1976 г.), ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (г. Ленинград, 1973 г.); научно-технических совещаниях институтов Росгипроводаоз (1973 г.), Союзгипроводхоз им. Е. Е. Алексеевского (1976 и 1981 г. г.) и Союзводпоект (г. Москва, 1988 г.); XX и XXII конгрессах Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (МАГИ) (г. Москва, 1983 г. и г. Лозанна, 1987 г.); ХШ конгрессе Международного комитета по большим плотинам (Ныо Дели, Индия, 1979 г.).
Разработанные методы расчетного обоснования, конструирования и эксплуатации водопропускных сооружений использованы при составлении пособия к СНиП 2.06.01-86 и СНиП 2.06.03-85 «Проектирование гидротехнических сооружений водохозяйственного назначения» (г. Москва. ВО Союзводпроект, 1989 г., стр. 126...130 и 132...146); в справочном пособии «Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений» (Энергоатомиздат, 1988 г., стр. 24...26, 401...404, 418...420), а также вошли в следующие учебники и учебные пособия, рекомендованные Главным управлением высшего сельскохозяйственного образования Министерства сельского хозяйства РФ для обучения студентов гидротехнических и гидромелиоративных специальностей вузов: «Особенности проектирования и строительства гидротехнических сооружений в условиях жаркого климата» (г. Москва, Колос, 1993 г, глава 7, стр. 229...236, Глава 10, стр. 287..Л97); «Лабораторные работы по гидротехническим сооружениям» (Агропромиздат, 1989 г. раздел 2, стр. 23...66 (в соавторстве), раздел 9, стр.127...146 (в
завторстве); «Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений» кгропромиздат, 1989 г., объемом 18,29 печатных листов).
Публикации. Список научных трудов автора по теме диссертации содержит
зыше 41 наименования.
>6ъем и структура диссертации. Работа имеет общий объем 529 страниц
ашинописного текста, включая 183 рисунка, 34 таблицы и б фотографий.
труктурно состоит из: обшей характеристики работы, шести глав,
шпочения, списка литературы из 361 наименования и основных условных
бозначений.
