Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности рассматриваемого вопроса и его значение 7
1.1. Природные условия формирования поверхностного стока на Северном Кавказе и классификация рек по участкам 7
1.2. Конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики водозаборных сооружений 12
1.2.1. Боковые водозаборы 13
1.2.2. Фронтальные водозаборы 17
1.2.3. Донно-решетчатые водозаборы 20
1.2.4. Ферганские водозаборы 23
1.2.5. Бесплотинные водозаборы на реках горно-предгорной зоны 26
1.3. Обзор изученности вопросов занесения и промыва верхнего бьефа. Анализ методов расчета 28
1.3.1. Занесение подпорных бьефов во время эксплуатации. Аналитические и эмпирические методы расчета 28
1.3.2. Промыв занесенного подпорного бьефа 35
Выводы 38
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 39
2.1. Описание экспериментальной установки 39
2.2. Измерительные приборы и регистрирующая аппаратура 44
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований эффективности регулирования наносного режима донным порогом 47
2.4. Оценка погрешности производимых измерений 56
Выводы 58
Глава 3. Обсуждение результатов лабораторных исследований занесения верхнего бьефа водозаборного гидроузла 59
3.1. Общая картина занесения подпорного бьефа низконапорного водозаборного гидроузла с наносорегулирующим порогом 59
3.2. Рассмотрение количественных характеристик процесса занесения подпорного бьефа низконапорного гидроузла 73
3.3. Влияние на процесе занесения подпорного бьефа водозаборного гидроузла высоты наносорегулирующего порога 101
3.4. Методика расчета режима занесения подпорного бьефа с учетом влияния наносорегулирующего порога 105
Выводы 115
Глава 4. Обсуждение результатов лабораторных исследований промыва верхнего бьефа водозаборного гидроузла 116
4.1. Общая картина промыва занесенного подпорного бьефа 116
4.2. Рассмотрение количественных характеристик процесса промыва занесенного подпорного бьефа низконапорного гидроузла 144
4.3. Влияние на процесс промыва верхнего бьефа водозаборного гидроузла высоты наносорегулирующего порога 170
4.4. Методика проведения расчета режима промыва занесенного подпорного бьефа с наносорегулирующим порогом 175
Выводы 178
Заключение 180
Литература 184
Приложение 198
- Конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики водозаборных сооружений
- Обзор изученности вопросов занесения и промыва верхнего бьефа. Анализ методов расчета
- Методика проведения экспериментальных исследований эффективности регулирования наносного режима донным порогом
- Рассмотрение количественных характеристик процесса занесения подпорного бьефа низконапорного гидроузла
Введение к работе
Задача гарантированного качественного забора воды на горно-предгорных участках рек для нужд потребителей, представляющая одну из основных проблем водного хозяйства рассматриваемого региона, связана с совершенствованием конструкций и методов расчетного обоснования многочисленных гидротехнических сооружений в составе компоновок гидроузлов, мелиоративных систем и комплексов для водоснабжения.
Развитие горного орошаемого земледелия и необходимость водообеспечения населенных пунктов определяет все увеличивающееся потребление воды, как на питьевые, так и на технические нужды и на производство сельскохозяйственной продукции. Ввиду малой плотности населения и ограниченной численности поселений, приуроченных в основном к малым водотокам, а также сложного геологического строения и рельефных условий, строительство крупных водохранилищ не всегда экономически оправдано. Кроме того, наиболее пригодные участки для строительства плотин находятся в областях с наиболее сложным рельефом, вдали от крупных массивов, удобных для орошаемого земледелия. Значительная часть орошаемых земель представлена небольшими разрозненными участками из-за сложности рельефа и пестроты почвенного покрова. Все эти факторы определяют необходимость использования низконапорных гидроузлов и дальнейшего совершенствования их конструкции и режимов эксплуатации.
В последние несколько десятилетий в горных и предгорных районах государств СНГ коэффициент водозабора на многих низконапорных водозаборных сооружениях в отдельные периоды года достигает почти 100%. Работа гидроузла при этом чрезвычайно осложняется наличием большого количества наносного материала [185, 140, 98 и др.]. В этих условиях, как показывает практика, для осуществления качественного водозабора наиболее рациональной схемой эксплуатации сооружения является режим периодического занесения и промыва верхнего бьефа. Такой режим работы водозаборного гидроузла вызывает необходимость привязать его сооружения к естественному режиму руслового потока и уменьшить интенсивность руслоформирующих процессов. Для бесперебойной работы водозаборного гидроузла необходимо правильно учитывать накопление наносных отложений в подпорном бьефе за период безнаносного водозабора и решать комплекс вопросов по промыву наносных отложений в возможно короткие сроки, учтя при этом возможное влияние водозаборного сооружения на нижерасположенные по течению участки нижнего бьефа. Только добившись определенного баланса наносов в зоне водозабора, можно обеспечить падежную работу всего гидроузла в течение длительного времени.
Ранее вопросы взаимосвязи конструктивной компоновки водозаборных гидроузлов с режимом занесения и промыва подпорного бьефа были рассмотрены относительно слабо. Несмотря на накопленный опыт возведения водозаборных сооружений, конструктивные элементы в составе их компоновки в основном назначались из условия недопущения наносов в водоприемник
5 при определенных условиях эксплуатации сооружения, а правильному учету и оптимальному распределению наносных отложений из условия более эффективного проведения последующего промыва уделялось мало внимания. В результате этого многие существующие водозаборные гидроузлы были занесены наносными отложениями, несмываемыми даже при проведении длительных промывок. Предлагаемые и используемые на низконапорных гидроузлах методы удаления наносных отложений земснарядами, с помощью механической очистки и другие способы оказались малоэффективны в условиях малых водохранилищ из-за значительной относительной стоимости проведения работ.
Борьба с процессом занесения подпорного бьефа до настоящего времени остается актуальной проблемой.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований новых подходов к повышению эффективности регулирования наносного режима при водозаборе на горно-предгорных участках рек с использованием косонаправленного циркуляционного порога в составе низконапорного гидроузла.
Задачи исследований. Для достижения намеченной цели предполагалось решить следующие основные задачи:
рассмотреть возможные варианты улучшения регулирования наносного режима при водозаборе на горно-предгорных участках рек и выбрать наиболее эффективный;
исследовать качественную и количественную картины занесения и промыва подпорного бьефа при устройстве в составе водозаборного гидроузла косонаправленного наносозащитно-го донного порога с перераспределением эпюры скоростей и удельных расходов в сторону про-мывника;
изучить схему оптимального угла расположения в плане наносорегулирующего порога перед водоприемником из условия эффективного протекания процессов занесения и последующего промыва подпорного бьефа от наносных отложений с исключением образования непромы-ваемых зон наносов перед водоприемником при различных режимах водоотведения;
рассмотреть влияния геометрических размеров наносорегулирующего донного порога на процессы регулирования наносного режима перед водоприемником низконапорного водозаборного гидроузла на горно-предгорных участках рек, работающего в режиме периодического занесения и промыва подпорного бьефа при различных характеристиках водозабора;
- разработать уточненные методы расчета процессов занесения и промыва подпорного бьефа на горно-предгорных участках рек с учетом предлагаемых мероприятий по повышению эффективности регулирования наносного режима при водозаборе;
- составить рекомендации по проектированию косонаправленного к потоку донного порога переменной высоты в составе низконапорного гидроузла на горно-предгорных участках рек из условия улучшения наносного режима.
Научная новизна. В диссертации разработаны, научно обоснованы и экспериментально проверены новые подходы к повышению эффективности процессов занесения и последующего промыва подпорных бьефов, а также к обоснованию различных параметров конструктивных элементов и компоновочных решений водозаборных гидроузлов. Изучены вопросы назначения конструктивных размеров и выбор оптимального планового расположения наносорегу-лирующих порогов перед водоприемником. Уточнены существующие методы расчетов вышеуказанных процессов.
Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается использованием наряду с традиционными измерительными устройствами современных прикладных программ для ЭВМ по обработке трехмерных поверхностей, достаточная точность которых была установлена в многочисленных проводившихся ранее исследованиях. Ряд результатов удовлетворительно согласуются с эмпирическими данными, полученными другими авторами.
Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и реконструкции низконапорных водозаборных гидроузлов на горнопредгорных участках рек, несущих большое количество донных наносов. Использование разработанных в диссертации методик дает возможность обосновать экономичные проектные решения водозаборных сооружений и их отдельных элементов. Разработанные рекомендации обеспечат увеличение срока безаварийной эксплуатации речных гидроузлов как на Северном Кавказе, так и в других регионах с аналогичными природно-климатическими условиями.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройства в 2003, 2005 гг., а также на заседании кафедры гидротехнических сооружений в 2006 г.
Реализация работы. Материалы проведенных исследований предполагается внедрить в практику проектирования и эксплуатации низконапорных водозаборных гидроузлов на горнопредгорных участках рек.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 134 рисунками, содержит 7 фотографий и 3 таблицы. Список использованной литературы содержит 221 наименование книг и статей отечественных и иностранных авторов.
Конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики водозаборных сооружений
Вода всегда являлась самым необходимым элементом хозяйственной жизни человека, поэтому исследования забора воды относятся к числу древнейших. Особое развитие проблемы водозабора получили в период, когда началось освоение крупных массивов в Индии, Египте и других странах. Вопросами водозабора занимались многие известные отечественные и зарубежные исследователи. Значительных успехов в этом вопросе достигли отечественные ученые. Освоение огромных площадей на территории бывшего Союза потребовало поставить тысячелетний опыт прошлого на научную основу.
К настоящему времени накоплен большой опыт проектирования, строительства и эксплуатации водозаборных сооружений, основанный на достижениях во многом и отечественной науки, созданной трудами Д.Я.Соколова, М.М.Гришина, М.В.Потапова, Е.А.Замарина, С.Т.Алтунина, Н.Ф.Данелия, А.С.Офицерова, В.В.Фандеева, П.С.Образовского, Р.Ж.Жулаева, И.С. Румянцева, Р.К. Кромера, А.В. Филончикова и др. [171, 57, 138, 77, 2, 61, 133, 76 и др.].
Водозаборные сооружения классифицируются по конструктивным и гидравлическим признакам, способу борьбы с наносами и периодичности их удаления, величине напора воды в верхнем бьефе и т.п. [50, 61, 118, 140 и др.]. Конструктивные признаки указывают на наличие или особенность конструкции того или иного элемента сооружения, на взаиморасположение элементов относительно друг друга или русла реки. Преимущественно в основу составления классификаций положены конструктивные соображения.
Н.Ф.Данелия [61], изучив существующие классификации, отмечал, что в них работа водоприемника часто рассматривается изолированно, а не в комплексе с другими сооружениями и с расположением в плане подводящих и отводящих русел. Кроме того, в них не учтены гидродинамические и гидравлические особенности потока. Поэтому Н.Ф.Данелия предложил гидравлическую классификацию водозаборных сооружений, использующую признаки подобия гидравлической структуры потока на подходе к сооружению. "Это значит, что водозаборные сооружения, создающие в потоке подобные гидравлические структуры, группируются в одну систему и для них разрабатывается единая методика проектирования, строительства и эксплуатации, а также метод регулирования движения наносов" [61].
По гидравлическому принципу водозаборные сооружения разделяются на следующие основные системы: боковые бесплотинные и плотинные водозаборы; фронтальные бесплотинные и плотинные водозаборы; донные (решетчатые); специальные русловые и глубинные.
Рассмотрим наиболее известные конструкции водозаборных гидроузлов, позаимствованные нами из существующей литературы [2, 50, 61, 68, 69, 152, 173, 185, 191 и др.]. Боковой водозабор является одним из наиболее простых и часто применяющихся типов водозаборных сооружений. Традиционная его схема состоит из перегораживающей подпорной плотины, водоприемника, подводящего и отводящего русел. В основу работы простейших боковых водозаборов была положена идея "параллельно-струйчатого" движения и принцип расслоения потока перед фронтом водозабора на донное и поверхностное течения. При этом предполагалось, что поверхностный слой воды забирается водоприемником, а донный с наносами сбрасывается в нижний бьеф. В дальнейшем многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых показали ошибочность первоначальной гипотезы, положенной в основу работы простейшего бокового водозабора [197, 133, 157, 72, 61, 29 и др.]. В связи с боковым отбором части расхода из русла реки, в потоке возникает местная поперечная циркуляция. В результате транспортируемые потоком наносы подтягиваются к водоприемнику. В связи с уменьшением скорости от поверхности потока к дну, придонные слои искривляются сильнее при боковом отводе и ширина их захвата в водоприемник почти вдвое больше, чем осветленных поверхностных. Таким образом, подавляющее большинство наносов завлекается в боковой отвод. Дальнейшее совершенствование бокового водозабора шло в основном за счет внедрения различных дополнительных конструкций вторичной ступени борьбы с наносами.
По условиям промывки наносов боковые водозаборные гидроузлы могут быть с фронтальной и с боковой промывкой [50]. Промывка может осуществляться непрерывно при наличии постоянных сбросных расходов или прерывисто по мере накопления наносных отложений до определенного уровня. Применяется также комбинированная промывка - в межень по мере накопления наносов, а в паводок непрерывно.
Боковой водозабор с глухим порогом и фронтальным промывом наносов приведен на рисунке 1.1.а [50, 61]. Эксплуатация данного водозабора показала, что входной порог не всегда обеспечивает эффективную защиту от поступления наносов. В зоне действия порога присутствуют вертикальные восходящие донные токи воды, завлекающие в водоприемник частицы наносов. Промывные отверстия не обеспечивают качественной промывки подпорного бьефа от наносных отложений, а перед глухой водосливной плотиной наносные отложения не удаляются и после проведения длительных промывок [152].
Для предотвращения попадания влекомых потоком наносов в отводящий канал в конструкцию водозаборного сооружения был добавлен горизонтальный полок перед водоприемником (рис. 1.1.г) [152], с отметкой на уровне порога шлюза-регулятора водоприемника. Выносные го ризонтальные полки были предложены А.В.Троицким и использованы в ряде водозаборных узлов как в СНГ (гидроузел на р. Гузардарья, Ленинский гидроузел па канале Шарихансай и т.п.), так и за рубежом (гидроузлы Сержент и Акрейдна на р. Мидл-Лоуп). Здесь используется принцип деления водного потока на два слоя по глубине - поверхностное и донное течение. Верхний осветленный слой поступает в водоприемник, а нижний, насыщенный наносами, непрерывно сбрасывается в нижний бьеф. При определении эксплуатационных характеристик водозаборного гидроузла отметим возможность завала наносными отложениями пространства под полком и засорение его донным плавником. Промыв наносных отложений при этом затруднителен.
Для забора небольших расходов В.Г.Айвазян предложил бычковый водозаборный гидроузел [50], в котором водоприемные отверстия размещены в лобовой части быков и береговых устоев (рис. 1.1.л). Бычковый водозабор основан на создании реактивных течений при обтекании преград потоком и послойном водозаборе. Для обеспечения расхода одного водоприемника быки утолщают до 3...4 м, что затрудняет пропуск паводковых расходов. Поэтому данный водозабор нельзя применять на селеносных реках.
В боковом водозаборном гидроузле с удаленными промывными отверстиями, предложенном Р.Ж. Жулаевым и Б.Т. Жаманмуруновой [75], борьба с донными наносами ведется путем создания искусственной поперечной циркуляции в верхнем бьефе криволинейным порогом (рис. 1.1.м). Донные слои потока, насыщенные наносами, отвлекаются от водозаборных отверстий при сбросе воды через промывные пролеты. Эффективная работа гидроузла наблюдается в периоды, когда в реке есть излишки воды для сброса в нижний бьеф через промывные отверстия. Для поддержания интенсивной поперечной циркуляции требуются большие сбросные расходы.
Характерными типами боковых водозаборных гидроузлов с боковой промывкой наносов являются водозаборные сооружения с боковыми донными промывными галереями, получившие широкое распространение (рис. 1.1.д, ж) [50, 61]. Первым такое водозаборное сооружение было построено на реке Средний Изар, где входные отверстия галерей были размещены под водоприемником по всей ширине порога [122] (рис. 1.1.д). В основу действия сооружения также была положена неправильная идея "параллельно-струйчатого" движения потока и принцип расслоения его перед фронтом водозабора на донное и поверхностное течения. Теоретические и экспериментальные исследования и опыт эксплуатации показали [50, 61, 62, 33, 92], что донные наносы в боковой водоприемник вовлекаются циркуляционным потоком, возникающим при обтекании экранирующих преград. Наносы сбрасываются в нижний бьеф в основном через верхние по течению галереи. При этом восходящие токи взмучивают наносные отложения и они попадают в водоприемник. Нижерасположенные по течению галереи сбрасывают в нижний бьеф воду без наносов и ухудшают работу расположенных выше галерей, усиливая взмучивание наносов.
Для улучшения наносного режима было предложено располагать входные отверстия донных галерей только в начальной части порога [50, 61] в зоне концентрации основной массы донных наносов. Улучшая работу бокового водозабора, такая схема не устранила взмучивания наносов у входа в донные галереи и поступления их в водоприемник.
Водозаборные сооружения, работающие по принципу использования поперечной циркуляции в потоке, предложены И.Т. Колесниковым [92], К.Г. Липатовым [113] и Н.Ф. Данелия [62, 63,65].
Обзор изученности вопросов занесения и промыва верхнего бьефа. Анализ методов расчета
Процессы переформирования русла после возведения на реках подпорных плотин характеризуются чрезвычайной сложностью взаимодействия русла, потока и сооружения. На современном этапе наиболее изучены вопросы, связанные с взвешенными наносами в речном потоке. В области, касающейся влекомых наносов, еще много неясных моментов.
Существующие в настоящее время расчетные методы прогноза русловых переформирований в подпертых бьефах можно подразделить на две основные группы: 1. Точные расчеты, опирающиеся на совместное решение систем трех дифференциальных уравнений, определяющих движение жидкости при медленно изменяющихся процессах: уравнения неравномерного медленно изменяющегося движения жидкости, уравнения неразрывности и уравнения деформации или баланса наносов. К данной группе методов относятся разработки И.И.Леви [110], В.Н.Гончарова [52], К.В.Гришанина [55] и др. 2. Эмпирические и полуэмпирические методы, разработанные на основе обширных лабораторных и детальных натурных исследований. Основы данных методов разработаны в работах С.Т.Алтунина и И.А.Бузунова [5], Н.Ф.Данелия [61], В.Н.Шолохова [199], Э.В.Костюченко [97], В.С.Лапшенкова [109], И.С.Румянцева [151], Р.К.Кромера [98] и многих других.
Сопоставляя различные методы можно отметить, что точные теоретические методы сложны и не всегда дают возможность завершить необходимый цикл вычислений, требуя при решении много сведений и связей, которыми не располагает проектировщик. Затруднительно их применение и при оперативном прогнозировании. Эмпирические и полуэмпирические методы упрощают и схематизируют изучаемый процесс при лабораторных и натурных исследованиях. Их используют для быстрых прогнозов. Получаемые результаты близки к наблюдаемым в действительности, однако следует отметить физическую необоснованность рассматриваемых явлений, необходимость дополнительных проверок результатов на отличных друг от друга гидроузлах.
Впервые вопрос кинематики гряды занесения в подпорном бьефе низконапорного гидроузла на горной реке был рассмотрен И.И. Леви [110]. В своих работах он впервые указал на различия между процессами занесения и заиления подпорного бьефа как на процессы, в корне различающиеся по своей физической природе. И.И. Леви представил картину занесения в виде гряды с уклоном поверхности параллельной дну реки. В начальный момент времени кривая свободной поверхности принималась по результатам эксперимента близкой к горизонтальной линии. В дальнейшем кривая подпора переходит в параллельные дну русла реки линии, перемещающиеся вверх параллельно себе. Им было установлено, что скорость перемещения гряды является величиной, уменьшающейся во времени. Процесс занесения русла И.И. Леви рассматривал в условиях плоской задачи при постоянном расходе и постоянном притоке наносов, что существенно упростило анализ. После занесения бьефа по данным И.И.Леви уклоны дна и свободной поверхности вновь оказываются близкими к первоначальным уклонам бытового русла.
В.Н. Гончаров [52] исследовал явления занесения верхних бьефов регулирующих водохранилищ. Автор более подробно рассмотрел качественную и количественную стороны явления. В результате резкого снижения продольных скоростей в створе выклинивания кривой подпора начинают откладываться наносы. По В.Н. Гончарову все наносы, дошедшие к створу подпорной плотины за время t аккумулируются в подпорном бьефе в виде гряды с уступом, обращенным в сторону плотины и с углом естественного откоса русловых грунтов в воде. По мере занесения кривая свободной поверхности перемещается вверх по вертикали. В зоне подпора происходит уменьшение продольных скоростей потока и при занесении дно русла повышается, стремясь обеспечить транспортирующую способность руслового потока. В результате наращивания уступа в водохранилище происходит повышение отметок по всей длине бьефа, что вызывает аккумуляцию части русловых наносов на длине выше по течению. Как указывает сам автор, принимаемая им схематизация явления довольно условна, о чем свидетельствуют и большие погрешности при расчетах. К.В.Гришанин [55], проведя исследования процесса занесения верхних бьефов гидроузлов методом баланса наносов, свел процесс деформации русла к процессу перемещения площадей живых сечений вдоль русла. Следует отметить определенные затруднения при использовании данного метода в проектной практике из-за его сложности. Кроме того, метод содержит некоторые допущения, и применим только для конкретных схем.
Эмпирические и полуэмпирические формулы основаны на данных многочисленных лабораторных и натурных наблюдений. Большой вклад в данной области сделан СТ. Алтуниным [2]. Автором был сделан вывод, что при уклонах бытового русла более 0,002 подпорный бьеф практически не заиляется, а наблюдается его занесение. Весь процесс занесения условно был разделен на три периода, и определялись основные параметры. Продолжительность периодов находилась делением объема наносных отложений за рассматриваемый период на объем среднегодового количества отложений. Объем наносных отложений за период определялся как геометрический объем призмы отложений с длиной, равной длине кривой подпора, высотой, определяющейся бытовой глубиной в реке Н0 и шириной, равной ширине В0. По полученным точкам были построены кривые подпора на продольном профиле. Расчет объемов занесения по рассматриваемой методике был произведен без конкретизации основных размеров гряды, в результате чего теряется весь физический смысл процесса занесения. Механизм движения гряды наносных отложений автором не рассматривался.
Рассмотренный метод расчета занесения верхнего бьефа был уточнен В.Н. Шолоховым [199], который на основе анализа более подробных натурных данных предложил делить подпорный бьеф на два участка: нижний участок первоначального подпора с постоянной длиной; верхний русловой участок с переменной длиной. Уклон кривой подпора на верхнем участке строился графически, сопрягая бытовой уровень в конце верхнего участка с концом кривой подпора нижнего участка.
А.И. Бузунов [5] предложил для построения кривых подпора в верхнем бьефе низконапорных плотин использовать уравнение квадратной параболы с вертикальной осью симметрии и выпуклостью, обращенной вниз у = ах" + Ьх2 + сх. В данном случае исходными данными берутся уровни воды и уклоны свободной поверхности в створе плотины и створе выклинивания кривой подпора. Из уравнения кривой подпора определялись параметры a, b и с из условия прохождения кривой подпора в начальном и конечном створах, и были получены значения длины кривой подпора и отметки уровней воды по длине подпора.
И.Х. Енилев [2] в качестве уравнения кривой подпора принял выражение у = axn + bx + сх и получил несколько иные значения параметров кривой подпора.
Методика проведения экспериментальных исследований эффективности регулирования наносного режима донным порогом
Одной из главных проблем при водозаборе из рек горной зоны является уменьшение захвата наносов в водоприемник. При проектировании и строительстве речных водозаборных сооружений данная проблема разрешается выбором или оптимальных элементов гидроузла, или способов их эффективной эксплуатации. Наиболее простым и часто используемым решением поставленной проблемы является устройство донного порога перед водоприемником для отвлечения от него транспортируемых потоком наносов.
Для поддержания баланса наносов на водозаборном гидроузле необходимо учесть накопление наносов в верхнем бьефе сооружения и правильно рассчитать промывной режим. Это условие позволит привязать сооружение к естественному режиму руслового потока и уменьшить интенсивность руслоформирующих процессов. Только добившись определенного баланса при регулировании наносного режима на водозаборе, можно обеспечить надежную работу сооружения в течение длительного времени.
Рассмотрение изучаемых явлений в условиях горно-предгорных участков рек облегчается возможностью при моделировании соблюдать полное геометрическое подобие исследуемого объекта, сравнительной крупностью наносного материала рассматриваемых участков рек в натурных условиях и наличием достаточно основательных теоретических и экспериментальных проработок в указанной области [6, 3, 7, 11, 61, 50, 53, 78, 98, 101, 187, 157, 138, 169, 170, 147, 173, 22]. Весь опыт работ предшествующих исследователей показал нам, что изучаемые явления протекают в условиях режима течения в квадратичной области сопротивлений, где адекватно удовлетворяются требования геометрического, кинематического и динамического подобия. При этом, достаточная крупность русловых отложений и влекомых наносов позволяет использовать лабораторную смесь наносов со средним диаметром более 0,7 мм, что, в свою очередь, удовлетворяет одновременно требованиям турбулентного обтекания частиц песка, изложенным в работах В.И. Гончарова, Н.С. Знаменской, И.И. Леви, Р.К. Кромера и др. [51, 52, 81,83,110].
Для моделирования потока, влекущего донные наносы, необходимо обеспечивать подобие их транспорта, определяющее кинематическое подобие переноса донных частиц речным потоком. Поскольку в изучаемом нами явлении донные наносы являются определяющими, был использован общеизвестный показатель подвижности донных наносов —, где V - средняя н скорость потока, VH - неразмывающая скорость для донных наносов. Перемещение наносов наблюдается при скоростях, больших неразмывающей - V VH. На модели размываемого русла поддерживалось значение показателя подвижности донных наносов в диапазоне изменений, характерном для горных рек в натурных условиях.
Другой модификацией показателя подвижности донных наносов является отношение , использовавшийся в работах К.В.Гришанина, З.Д. Копалиани, И.К. Никитина [55, 95, 131].
Здесь со - гидравлическая крупность донных наносов. В наших исследованиях данный параметр изменялся в пределах натурных значений.
Моделирование весового содержания донных наносов в русловом потоке не вызывает методических затруднений, так как не зависит от масштаба исследуемого объекта. При проведении экспериментов концентрация донных наносов в моделируемом водном потоке поддерживалась аналогичной натурным значениям. Зерновой состав наносов, совершенно подобный натурному воспроизводить не удается. При проведении экспериментов гранулометрическая кривая лабораторных донных наносов, приведенная на рис. 2.7, поддерживалась геометрически подобной кривым обеспеченности крупностей наносного материала для горных рек по рекомендациям У. Цанке. [187].
Таким образом, согласно требованиям теории подобия на модели выдерживались следующие условия: - динамическое подобие Fr = idem - геометрическое подобие / = idem, h/d = idem - подобие подвижности частиц v/vH = idem, co/v = idem - подобия весового содержания наносов р = idem - подобия сопротивлений С = idem - наличие автомодельной области по Рейнольдсу Re Repp Кроме этого при лабораторных исследованиях должно иметь место качественное подобие процесса занесения и промыва, которое соблюдается посредством размещения всей зоны подпора в пределах гидравлического лотка. Перед зоной подпора и в отводящем русле нижнего бьефа поддерживались участки с естественными гидравлическими характеристиками потока реки. На качество борьбы донного порога с наносами влияет большое количество различных факторов [187]. Анализ факторов позволяет разделить их на несколько основных групп для выявления взаимосвязи. К первой группе следует отнести факторы, характеризующие естественное состояние руслового потока до строительства сооружения. Это уклон дна, расход реки, объем твердого стока и др. Ко второй группе относятся геометрические размеры различных элементов сооружений, определяющие кинематическую структуру потока в верхнем бьефе -форма порога в плане, его длина, поперечное сечение, размеры промывного отверстия, взаиморасположение порога и промывника и т.д. К третьей группе факторы целесообразно отнести факторы, определяющие взаимодействие речного потока с сооружением - форма свободной поверхности потока в верхнем бьефе, расход водозабора и промывника, параметры винтового движения у донного порога в зависимости от размеров последнего и положения промывного отверстия, параметры гряды занесения в верхнем бьефе перед порогом и т.д. Четвертой группа включает в себя факторы, характеризующие качество борьбы донного порога с наносами - коэффициент захвата наносов в водоприемник, фракционный состав и нагрузка потока наносами в водоприемнике и промывнике и др. Эти факторы зависят от всех предыдущих и именно по ним можно судить об эффективности регулирования наносного режима донным порогом. Разделение факторов на группы позволяет выявить их общее количество, взаимосвязь и провести более полный анализ их влияния.
Рассмотрение количественных характеристик процесса занесения подпорного бьефа низконапорного гидроузла
Устройство перед водоприемником выдвинутого в верхний бьеф косонаправленного порога создает достаточно специфичную, отличную от других бьефов картину занесения наносами. В результате образования поперечной циркуляции в зоне действия донного порога, происходит некоторый перекос фронта гряды занесения с различными высотами ее гребня у противоположных берегов подпорного бьефа, что, в свою очередь, обусловливает определенную картину промыва бьефа от наносных отложений (рис. 3.20 - 3.31). На рисунках 3.20-3.31 нами представлена динамика занесения подпорного бьефа низконапорного водозаборного гидроузла по продольным профилям бьефа для различных конструкций наносорегулирующего порога при коэффициентах водозабора 0,3, 0,5, 0,7 и 0,9. Первый график (а) показывает характер движение гряды занесения в створе промывных отверстий водоподпорной плотины, а на втором графике (б) - в створе наносорегулирующего порога переменной высоты. На представленных рисунках заметно снижение высоты гребня гряды занесения в зоне действия косонаправленного донного порога в период занесения бьефа до допустимого объема. Указанное обстоятельство можно объяснить возникновением у порога поперечной циркуляции при натекании потока русла на преграду. В результате происходит отвлечение транспортируемых потоком влекомых наносов и их аккумуляция в створе промывных отверстий плотины.
Оценивая объем наносных отложений по ширине подпорного бьефа отметим заметное увеличение уровней гряды при высоких коэффициентах водозабора и повышение неравномерности занесения в сторону створа водоприемника. Особенно заметен указанный процесс при коэффициенте водозабора 0,9 для большого угла установки порога в плане у = 30 (рис. 3.23). В указанном случае из-за большого подпора поперечная циркуляция в зоне донного порога, отвлекающая наносы к промывнику, перестает функционировать и на деление наносов оказывает основное влияние отбор поверхностного расхода. Рассматривая же рисунки 3.32 -3.35 для схемы без порога, можно заметить образование мощных наносных отложений в створе на подходе к водоприемнику практически во всех случаях. По нашему мнению данное обстоятельство связано с перераспределением расходов и скоростей потока в сторону отбираемого расхода реки. В зоне водоприемника промыв наносных отложений в данном случае значительно усложнится.
Таким образом, с повышением коэффициента водозабора происходит увеличение величины подпора ДН на сооружении и допустимое время занесения увеличивается (рис. 3.19). В то же время, в связи с изменением доли забираемого расхода и большей неравномерностью распределения расходов между водоприемником и промывником, наблюдается увеличение неравномерности высотных отметок гряды занесения в сторону порога и водоприемника.
Построим графики изменения объемов наносных отложений в период занесения подпорного бьефа до допустимого объема Wflon (рис. 3.36). Как видим, линейный характер процесса накопления наносных отложений в подпорном бьефе до допустимого объема, отмечаемый другими исследователями [151, 98], в изучаемых нами условиях полностью подтверждается. Отметим лишь повышение объема наносных отложений при увеличении угла установки порога в плане.
Для оценки равномерности процесса занесения подпорного бьефа по ширине, нами подводящее русло было разбито на несколько створов: два створа противоположного порогу берега промывника b/В = 0,17 и b/В = 0,33 (а), два средних створа по ширине русла b/В - 0,50 и Ь/В = 0,67 (б), два створа в зоне действия косонаправленного порога переменной высоты b/В = 0,83 и b/В - 1,00 (в) (рис.3.37). где W3aHec - объем занесения подпорного бьефа наносными отложениями, определяемый с использованием программы построения поверхностей как разность поверхности гряды занесения на текущий момент времени и поверхности дна бытового русла;
WBB - первоначальный объем верхнего бьефа, определяемый как разность свободной поверхности потока на момент начала процесса занесения и поверхности дна бытового русла.
Данный параметр характеризует увеличение объема занесения подпорного бьефа в процентах от первоначального объема верхнего бьефа на момент начала занесения.
