Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопросов проектирования и эксплуатации бесплотинных водозаборных гидроузлов на горных реках 11
1.1. Гидротехническая классификация горных рек 11
1.2. Классификация и анализ работы известных компоновочных схем бесплотинных водозаборных гидроузлов, оценка их применимости в условиях забора воды из горных рек 1.2.1. Боковые бесплотинные водозаборные гидроузлы 15
1.2.2. Фронтальные бесплотинные водозаборные гидроузлы 23
1.3. Теоретическое обоснование гидравлических условий работы боковых бесплотинных водозаборных гидроузлов 26
1.3.1. Режим деления потока 27
1.3.2. Режим водообмена 34
1.4. Анализ гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов 36
1.4.1. Искусственная поперечная циркуляция потока 37
1.4.2. Винтовые течения вдоль верховой грани донных циркуляционных порогов 46
1.4.3. Винтовые течения вдоль верховой грани донных циркуляционных порогов 48
Глава 2. Методики проведения экспериментальных исследований 52
2.1. Методика проведения лабораторных исследований гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов в условиях недеформированного отводом потока на неразмываемой модели 52
2.2. Методика проведения лабораторных исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20 57
2.3. Оценка точности полученных результатов 74
Глава 3. Обсуждение результатов лабораторных исследований гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов в условиях недеформированно го отводом потока на неразмываемой модели 78
3.1. Результаты исследований гидравлических условий работы фронтальных ( = 90) донных циркуляционных порогов постоянной и переменной высоты 78
3.2. Результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных ( = 15...75) донных циркуляционных порогов переменной высоты 87
Глава 4. Обсуждение результатов лабораторных исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20 117
4.1. Качественная картина переформирования бытового русла в зоне влияния бокового бесплотинного водозаборного сооружения с незащищенным отводом...117
4.2. Результаты исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20 119
Рекомендации по устройству и эксплуатации донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на предгорных и долинных участках малых горных рек III группы 137
Заключение 143
Список литературы
- Боковые бесплотинные водозаборные гидроузлы
- Винтовые течения вдоль верховой грани донных циркуляционных порогов
- Результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных ( = 15...75) донных циркуляционных порогов переменной высоты
- Результаты исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В рамках Водной стратегии Российской Федерации до 2020 года и государственной экономической политики, направленной на обеспечение продовольственной безопасности страны, гарантированное обеспечение водными ресурсами населения и отраслей экономики, в том числе за счет строительства и реконструкции водохозяйственных и мелиоративных систем, относится к числу наиболее приоритетных задач, поставленных перед мелиоративно-водохозяйственным сектором экономики. В этой связи разработка новых и совершенствование существующих компоновочных схем и отдельных конструктивных решений для элементов водозаборных гидроузлов, гарантирующих отбор расчетных расходов воды с возможно меньшим завлечением в отводящий канал русловых наносов, приобретает актуальное и важное инженерно-техническое значение.
Проблемы защиты водоприемных отверстий водозаборных гидроузлов от завлечения русловых наносов (в первую очередь, донных) особенно остро встают при заборе воды из горных рек, транспортирующих большое количество наносного материала крупных фракций. На территории России рассматриваемые условия водозабора характерны, в частности, для Северо-Кавказского федерального округа, где вопросы гарантированного и качественного водообеспечения населения и отраслей экономики весьма актуальны.
Средние и большие горные реки рассматриваемого региона в большинстве своем зарегулированы и достаточно полно вовлечены в водохозяйственную деятельность, в отличие от малых горных рек, число которых в общей гидрографической сети достаточно велико. Данное положение справедливо для большинства регионов горно-предгорной зоны, как в Российской Федерации, так и за рубежом. В этой связи освоение водных ресурсов малых горных рек является весьма перспективным направлением в развитии горного орошаемого земледелия и малой гидроэнергетики данных регионов. Вместе с тем, наиболее пригодные для проживания и ведения орошаемого земледелия участки местности находятся в низовьях рек, на их предгорных и долинных участках.
В настоящее время на малых горных реках в условиях высоких коэффициентов водозабора ( 0,70), характеризующихся соотношением величин забираемого на гидроузле расхода Qвз и полного расхода реки Qр, широкое применение получили плотинные водозаборные гидроузлы комплексного назначения, осуществляющие забор и подачу воды в гидроэнергетические, оросительные и другие водохозяйственные системы. На плотинных водозаборах борьба с наносами, осуществляемая при помощи различных конструктивных и эксплуатационных мероприятий, в известной степени облегчается за счет наличия
в составе гидроузла водоподпорного сооружения. Здесь необходимо отметить, что в условиях сравнительно небольших коэффициентов водозабора ( 0,20) с учетом достаточно сложных гидрогеологических и рельефных условий регионов горно-предгорной зоны строительство плотинных водозаборных гидроузлов не всегда экономически оправдано.
В свою очередь бесплотинные водозаборные гидроузлы достаточно просты в конструктивном отношении, требуют меньших затрат на строительство, в меньшей степени сказываются на переформировании бытового русла реки в зоне влияния водозаборного сооружения по сравнению с плотинными водозаборами. Все вышеизложенное свидетельствует о целесообразности проведения научных исследований и внедрения в практику гидротехнического строительства эффективных схем бесплотинных водозаборов.
В последние несколько десятилетий в регионах горно-предгорной зоны
стран СНГ бесплотинный забор воды в оросительные и обводнительные системы
в период вегетации (апрель-сентябрь) составляет в среднем 0,5...1,5 м3/с.
В сложившихся условиях для использования в качестве водоисточников наиболее
пригодны малые горные реки III группы (среднелетние расходы
Qср.летн = 10...30 м3/с) c ледниково-снеговым и снегово-ледниковым питанием, так как в вегетационный период для данных водотоков возможно обеспечить гарантированные водозабор и водоподачу во всем диапазоне изменения расходов воды в реке. Вместе с тем, при прохождении летних паводков с пиком в июне-августе, характеризующихся перемещением речным потоком наносного материала крупных фракций, коэффициенты водозабора для водотоков рассматриваемой группы не превышают 0,15, что позволяет осуществлять забор расчетных расходов воды с минимально возможным количеством завлеченных в отвод влекомых наносов с учетом применения в составе компоновочных схем бесплотинных водозаборов эффективных противонаносных элементов.
Степень ее разработанности. Обеспечение качественного водозабора, под которым в том числе понимается отделение и отвод части речного потока с возможно меньшим завлечением в отводящий канал русловых наносов с целью бесперебойной подачи потребителям осветленной воды, можно отнести к числу сложных проблем гидротехники. Широкие научные исследования в области деления водного потока, начатые в 20-х годах прошлого века такими зарубежными учеными как Булле, Ребок, Тома, Шоклич и продолженные в нашей стране А.Я. Миловичем, А.С. Офицеровым, Д.Я. Соколовым, В.А. Шаумяном и другими заложили фундаментальные теоретические основы решения данной проблемы. К настоящему времени на основании известных теоретических проработок указанных авторов с привлечением данных широких лабораторных и натурных исследований С.Т. Алтуниным, Н.Ф. Данелия, Р.Ж. Жулаевым, Е.А. Замариным, А.С. Образовским, М.В. Потаповым и их учениками предложено и
внедрено в практику гидротехнического строительства большое количество
компоновочных схем водозаборных гидроузлов с различными
эксплуатационными характеристиками.
Несмотря на обширный научный базис исследуемого вопроса, полностью решить проблему борьбы с наносами на водозаборных гидроузлах пока не удалось. Данное обстоятельство объясняется, с одной стороны, сложностью достоверной оценки и учета характера трансформации потока при его делении, а, с другой стороны, отсутствием в научной литературе однозначности в рекомендациях по устройству и эксплуатации различных типов противонаносных конструктивных элементов в составе водозаборов.
Цели и задачи. Совершенствование конструкций бесплотинных
водозаборных гидроузлов с донными циркуляционными порогами на предгорных и долинных участках малых горных рек III группы, а также разработка новых рекомендаций по устройству и эксплуатации таких противонаносных элементов в составе бесплотинных водозаборов применительно к рассматриваемым условиям водоотделения.
Для достижения намеченных целей потребовалось решить следующие основные задачи:
- рассмотреть известные в гидротехнической практике компоновочные
схемы бесплотинных водозаборных гидроузлов, в том числе имеющих в своем
составе донные циркуляционные пороги, а также проанализировать рекомендации
по устройству таких противонаносных элементов в составе водозаборных
гидроузлов.
С учетом имеющихся противоречий в рекомендациях по устройству донных циркуляционных порогов:
выявить действительный характер взаимодействия таких противонаносных элементов с модельным потоком, недеформированным отводом, в зависимости от планово-геометрических характеристик преграды и экспериментального гидравлического режима ее работы на физической модели с неразмываемым руслом;
изучить качественную и количественную картины взаимодействия донных циркуляционных порогов с модельным потоком в ходе лабораторных исследований гидравлических и наносных условий работы таких противонаносных элементов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20;
- разработать на основе результатов теоретических и экспериментальных
исследований новые рекомендации по устройству и эксплуатации донных
циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на
предгорных и долинных участках малых горных рек III группы.
Научная новизна:
для фронтальных донных циркуляционных порогов научно обоснована необходимость устройства порогов переменной высоты;
для фронтальных и косонаправленных донных циркуляционных порогов получены экспериментальные зависимости, позволяющие оценить эффективность формирования ими в потоке искусственной поперечной циркуляции;
получены экспериментальные зависимости, характеризующие скоростной режим винтовых течений вдоль верховой и низовой грани порогов рассматриваемой конструкции;
- для условий бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора
= 0,10...0,20 на предгорных и долинных участках малых горных рек III группы
определен оптимальный угол расположения донной преграды относительно
береговой линии = 45;
- на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований
разработаны новые рекомендации по устройству и эксплуатации донных
циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на
предгорных и долинных участках малых горных рек III группы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Материалы проведенных исследований могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации как вновь возводимых, так и реконструируемых бесплотинных водозаборных гидроузлов на предгорных и долинных участках малых горных рек III группы. Разработанные автором рекомендации по устройству и эксплуатации донных циркуляционных порогов дают возможность обосновать надежные и экономически эффективные проектные решения для бесплотинных водозаборов на водотоках данного типа.
Методология и методы исследования. Теоретические расчёты, физические модельные гидравлические исследования.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты сравнительного анализа эффективности работы фронтальных
донных циркуляционных порогов постоянной и переменной высоты;
- экспериментальные зависимости, характеризующие интенсивность
формируемой в потоке искусственной поперечной циркуляции фронтальными и
косонаправленными донными циркуляционными порогами;
экспериментальные зависимости, характеризующие скоростной режим винтовых течений вдоль верховой и низовой грани порогов рассматриваемой конструкции;
результаты исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов для рассматриваемых условий водоотделения;
- рекомендации по устройству и эксплуатации донных циркуляционных
порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на предгорных и
долинных участках малых горных рек III группы.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов, полученных в ходе проведения модельных гидравлических
исследований, подтверждена большим объемом экспериментального материала,
полученного и проанализированного автором диссертации. Настоящая
квалификационная работа выполнена с использованием современных методов гидравлического моделирования и лабораторного оборудования, а также в соответствии с апробированными рекомендациями по исследованию вопросов обтекания потоком затопленных преград и русловых процессов.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры комплексного использования водных ресурсов и гидравлики и кафедры гидротехнических сооружений Института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», а также на международных научно-практических конференциях в 2012-2015 гг.:
«Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-18 апреля 2013 г.;
«Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», Москва, Институт природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», 22-25 апреля 2014 г.;
«Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая созданию объединённого аграрного вуза в Москве», Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 3-4 июня 2014 г.;
«Передовые научные разработки», Чехия, 27 августа - 5 сентября 2014 г.;
«Восточное партнерство», Польша, 07 - 15 сентября 2014 г.;
«Достижения высшей школы – 2014», Болгария,17 - 25 ноября 2014 г.;
- Международный научный форум «Проблемы управления водными и
земельными ресурсами», Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный
аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 30 сентября 2015 г.
По результатам диссертационного исследования опубликовано 20 печатных работ, в том числе 8 статей в рецензируемых научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК России.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 51 рисунок. Список литературы насчитывает 112 наименований, в том числе 13 – на иностранном языке.
Боковые бесплотинные водозаборные гидроузлы
Научные исследования в области проектирования и эксплуатации бесплотинных водозаборных гидроузлов ведутся уже многие годы, разработаны различные принципы классификации последних. В нашей стране работа в данном направлении осуществлялась такими видными учеными как С.Т. Алтунин, Н.Ф. Да-нелия, Е.А. Замарин, Д.Я. Соколов, В.А. Шаумян [7, 27, 35, 89, 98] и др. В настоящей работе за основной классификационный признак принят предложенный Н.Ф. Данелия принцип подобия гидравлической структуры потока (гидравлическая классификация водозаборных сооружений). По нашему мнению, которое согласуется с мнением других исследователей, данная классификация является перспективной, так как позволяет объединять водозаборные сооружения в группы, для которых могут быть разработаны единые методики проектирования, строительства и эксплуатации, а также способы регулирования движения донных наносов [1, 13, 27]. В соответствии с принятой гидравлической классификацией водозаборных сооружений все бесплотинные водозаборные гидроузлы можно разделить на две большие группы: боковые и фронтальные. Дальнейший анализ компоновочных схем бесплотинных водозаборов основан на принципе данной классификации; при этом гидроузлы подразделялись по способности регулирования отбираемого из реки расхода и завлечения в водоприемное отверстие наносов на “неинженерные”, “полуинженерные” и “инженерные”. Последнее говорит о технологичности и историчности каждого типа водозаборного гидроузла.
История использования данного типа водозабора практически равна истории человечества. Наиболее простым, так называемым “неиженерным” типом бокового бесплотиннного водозаборного сооружения является открытый канал, прокопанный от берега водотока до водохозяйственной системы (рисунок 1.2.1.1, а, б). Однако простота устройства такого водозабора влечет за собой существенные неблагоприятные последствия для эксплуатации, например, “… усиленное заиление канала на начальном участке, резко снижающее его пропускную способность, а также возможность смещения головы канала вниз по течению реки на значительные расстояния. Причиной этого являются гидравлические условия взаимодействия головы отводного канала с русловым потоком, значительно осложняемые значительным содержанием в потоке наносного материала” [26, 35].
Поэтому исторически более широкое применение получил боковой многоголовый бесплотинный водозабор, состоящий из системы каналов-прокопов (рисунок 1.2.1.1, в). За счет возможности включения в работу необходимого числа голов каналов в зависимости от расходов водотока, в данной схеме бесплотинного водозабора реализуются примитивные методы регулирования расхода отбираемой воды и гидравлического удаления наносов [26, 35]. Данный тип компоновки водозаборного гидроузла был отненсен к “полуинженерным”.
Примером простейшего инженерного бокового бесплотинного водозаборного сооружения является головной регулятор на отводящем канале-прокопе (рисунок 1.2.1.1, г-з). Здесь при достаточных горизонтах воды в реке при помощи регулятора осуществляют подачу воды потребителям по графику с учетом условий регулирования наносного режима. Рисунок 1.2.1.1 – Боковые бесплотинные водозаборы: а) и б) – без головного сооружения; в) – многоголовый; г) и д) – с головным сооружением; ж) и з) – с отстойниками и регуляторами. 1 – магистральный канал; 2 – сбросной канал; 3 – регулятор; 4 – отстойник Общим значительным недостатком рассмотренных выше компоновочных схем боковых бесплотинных водозаборных гидроузлов является отсутствие возможности активного воздействия элементов сооружений на гидравлическую структуру потока с целью обеспечения надежной защиты водоприемных отверстий от завлечения наносов. Данное обстоятельство в значительной степени ограничивает возможность их применения в условиях бесплотинного забора воды из горных рек в “чистом виде”, без включения в состав компоновочных схем водозаборов различных противонаносных элементов.
В компоновочных схемах боковых бесплотинных водозаборов С.Т. Алтуни-на (рисунок 1.2.1.2, з) и Д.Я. Соколова (рисунок 1.2.1.2, и) борьба с наносами осуществляется за счет формируемой на криволинейных участках русла поперечной циркуляции. В компоновочных схемах боковых бесплотинных водозаборов С.Т. Алтунина (рисунок 1.2.1.2, з) и Д.Я. Соколова (рисунок 1.2.1.2, и) борьба с наносами осуществляется за счет формируемой на криволинейных участках русла поперечной циркуляции. Данные схемы боковых водозаборов зарекомендовали себя надежной работой в условиях бесплотинного забора воды из равнинных рек. Вместе с тем возможность их применения на водотоках горно-предгорной зоны резко ограничивается ввиду сложности и высокой стоимости выполнения русло-выправительных работ на подходе к сооружению (схема з), а также возможности завала донными наносами начального участка криволинейного подводящего канала, работающего в общем случае как незащищенный боковой отвод.
В компоновочной схеме бокового бесплотинного водозабора Д.Я. Соколова (рисунок 1.2.1.2, ж) борьба с наносами осуществляется за счет разделения двухфазного потока (вода-наносы) в спиралевидной камере, расположенной ниже отвода. Данной схеме присущи те же недостатки, что и водозабору с криволинейным подводящим каналом (схема и), что ограничивает возможность ее применения на реках, транспортирующих большое количество наносного материала.
Винтовые течения вдоль верховой грани донных циркуляционных порогов
Отмеченные в главе 1 неоднозначность и противоречивость имеющихся рекомендаций по устройству донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов требуют проведения лабораторных исследований гидравлических условий работы таких противонаносных элементов.
Результаты широких лабораторных и натурных исследований работы косо-направленных донных циркуляционных порогов В.С. Бондаренко, И.К. Рудакова, Г.В. Соболина [13, 43, 44, 78, 87] и др. показали, что интенсивность защитных течений, формируемых донной преградой при ее взаимодействии с русловым потоком, зависит в общем случае от угла расположения порога к линии берега , относительной высоты порога Pотн, величины стеснения потока n, средней скорости потока V0, уклона верхней грани порога iп. Также необходимо отметить, что все исследователи сошлись во мнении о необходимости придания порогу относительной высоты Pотн = 0,25…0,5 во всем диапазоне колебания уровней воды в реке. В этом случае возбуждаемая в потоке искусственная поперечная циркуляция распространялась вверх по течению относительно створа порога на (15…20)H0. Сложность и многофакторность изучаемых явлений требует выявления степени влияния каждого параметра на характер происходящих в потоке трансформаций.
Целью настоящей экспериментальной серии являлось выявление действительного характера взаимодействия донного циркуляционного порога с русловым потоком в зависимости от планово-геометрических характеристик преграды и экспериментального гидравлического режима ее работы.
Для достижения поставленной цели необходимо было всесторонне изучить условия формирования порогом всех трех защитных течений: искусственной по 53 перечной циркуляции, а также винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога, решив при этом следующие задачи [45-51, 80-83]: - для фронтальных донных циркуляционных порогов необходимо: 1) определить характер влияния уклона верхней грани порогов iп на интенсивность формируемой в потоке ИПЦ; 2) оценить влияние уклона верхней грани донных преград на скоростной режим винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога; - для косонаправленных донных циркуляционных порогов необходимо: 2) выявить характер влияния косого расположения порога (в сравнении с фронтальным) на эффективность возбуждения в потоке ИПЦ и интенсивность винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога для рассматриваемого диапазона граничных условий работы последнего; 3) выявить характер влияния относительной высоты порога Pотн на интен сивность формирования всех трех защитных течений для каждого из рассматри ваемых значений n; 4) выявить характер влияния относительной средней скорости потока Vотн = V0/V0,max на интенсивность всех трех защитных течений для каждого из рас сматриваемых значений n (V0,max – максимальное значение средней скорости по тока в условиях эксперимента); 5) выявить характер влияния величины стеснения потока n на интенсив ность всех трех защитных течений в зависимости от значений Pотн и Vотн. Далее на основании анализа полученных экспериментальных данных предполагалось определить наиболее рациональные планово-геометрические характеристики донных циркуляционных порогов, а также разработать зависимости для оценки эффективности работы таких противонаносных элементов.
Учитывая отмеченную в главе 1 сложность общей гидравлической картины явления трансформации потока при его делении, нами было принято решение детально изучить условия формирования всех трех защитных течений “в чистом виде” – в условиях недеформированного отводом потока. Затем полученные данные предполагалось использовать при комплексной оценке эффективности работы донных циркуляционных порогов в условиях водоотделения.
Экспериментальные исследования были выполнены в лаборатории гидравлики водопропускных сооружений кафедры гидротехнических сооружений Института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Запроектированная и построенная нами для проведения лабораторных исследований экспериментальная установка представляла собой гидравлический лоток прямоугольного сечения шириной 1 м и длиной рабочей части 9 м (рисунок 2.1). Уклон дна по длине рабочей части лотка составлял 0,008, что соответствовало уклону дна малой горной реки III группы, текущей вдоль хребта, на предгорном и долинном участках (см. таблицу 1.1.2).
Подаваемые на модельную установку расходы воды из общей системы водоснабжения лаборатории регулировались автоматической задвижкой на подводящей трубе. Величины расходов измерялись при помощи оттарированного мерного водослива с тонкой стенкой (с острым ребром), оборудованного шпицен-масштабом. Непосредственно за водосливом располагалась успокоительная конструкция из решеток и гасителя стоячих волн, что позволяло для соответствую 55 щих экспериментальных режимов получать равную свободную поверхность потока. Глубины модельного потока регулировались жалюзным затвором, расположенным в концевой части лотка, и фиксировались подвижным шпиценмасшта-бом.
Для измерения средней скорости основного потока, местных скоростей в намеченных точках на промерных вертикалях в створе порога, а так же продольных скоростей винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога, использовалась электронная микровертушка марки Нoentzsch ZG1, позволяющая измерять скорости модельного потока в диапазоне от 0,06 до 10 м/c.
В соответствии с данными широких лабораторных и натурных исследований условий формирования искусственной поперечной циркуляции [13, 78, 87], последняя распространяется вверх по течению относительно створа порога на 15...20 глубин потока. С учетом данного обстоятельства область установки донных циркуляционных порогов располагалась на расстоянии 4 м от успокоительной конструкции, что позволяло выдерживать условие распространения ИПЦ в пределах рабочей части лотка при всех глубинах модельного потока (в условиях эксперимента H0,max = 20 см, 20H0,max = 400 см = 4 м).
Ввиду отмеченного предыдущими исследователями диапазона эффективности работы донных циркуляционных порогов (Pотн = 0,25…0,5), возможностей лабораторной установки и необходимости оценки объективности полученных результатов, в частности путем сопоставления с экспериментальными данными других исследователей, нами были исследованы 5 режимов работы каждого типа порога:
Pср = 0,3 H0, H0 = 20 см, V0 = 25 см/с, Q = 50 л/с. Донные циркуляционные пороги изготавливались с высокой степенью точности из органического стекла, планово-геометрические характеристики порогов определялись с учетом намеченного объема исследований и имеющихся граничных условий эффективности их работы. На модели исследовались гидравлические условия работы донных циркуляционных порогов, расположенных под углами = 15; 30; 45; 60; 75; 90 к борту лотка. Величина стеснения потока n в условиях эксперимента принимала значения 0,2; 0,35; 0,5; 0,65; 0,8 для всех типов порогов. В зависимости от планово-геометрических характеристик преграды уклон верхней грани порога iп менялся в пределах от 0 (для порогов постоянной высоты) до 0,1 (для порога переменной высоты при n = 0,2; = 90). Средняя высота донной преграды P = Pср = (Pн + Pк)/2 для порогов постоянной и переменной высоты равнялась 6 см. Относительная высота порогов Pотн в условиях эксперимента принимала значения 0,3; 0,4; 0,5.
Для определения величины смещения динамической оси потока f микровертушкой промерялись скорости на 11 вертикалях в створе порога с шагом 10 см по ширине лотка. Для величин стеснения потока n = 0,35 и n = 0,65 вводилась дополнительная 12 промерная вертикаль на удалении 35 см и 65 см от места примыкания порога к борту лотка соответственно. Глубины в расчетных точках промерялись при помощи подвижного шпиценмасштаба. По полученным данным нами были построены эпюры удельных расходов в створе порога, имевшие в каждом случае смещение центра тяжести относительно первоначального положения. После для каждого расчетного случая определена относительная величина смещения динамической оси потока = f/B как основной показатель интенсивности возбуждаемой в потоке ИПЦ [45-49, 80].
Результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных ( = 15...75) донных циркуляционных порогов переменной высоты
В рамках данной части экспериментальной серии №1 изучались гидравлические условия работы донных циркуляционных порогов с уклоном верхней грани, расположенных под углом = 15...75 к борту лотка. Исследования порогов рассматриваемой конструкции проводились в гидравлическом лотке (рисунок 2.1) в соответствии с методикой, подробной изложенной в пункте 2.1 Главы 2.
В научной литературе не освещены результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных донных циркуляционных порогов с углом установки = 75 применительно к оценке эффективности формирования ими в потоке искусственной поперечной циркуляции и винтовых течений вдоль верховой и низовой граней преграды. В своих экспериментальных исследованиях Г.В. Соболин рассматривал работу циркуляционных порогов, расположенных под углами = 15...30 к береговой линии [87]. В исследованиях В.С. Бондаренко изучалась работа КДЦП с углами установки порога к берегу = 30...60 [13]. В.А. Шаумяном приводится только описательная качественная картина взаимодействия донных циркуляционных порогов постоянной высоты с русловым потоком [98]. Данное положение можно объяснить предполагаемой исследователями малой степенью влияния незначительного уменьшения угла в сравнении с фронтальными донными порогами. С учетом намеченного объема и детализации собственных исследований, нами было принято решение о необходимости проведения серии опытов по изучению гидравлических условий работы косонаправленных ( = 75) донных циркуляционных порогов переменной высоты с целью дальнейшего использования полученных результатов для комплексной оценки влияния косого расположения преград на интенсивность формируемых в потоке защитных течений.
Полученные графики и зависимости, характеризующие интенсивность формируемой в потоке ИПЦ порогами рассматриваемой конструкции, приведены на рисунке 3.2.1. На основании анализа полученных экспериментальных данных дана следующая оценка работы косонаправленных ( = 75) донных циркуляционных порогов [45]: 1) пороги рассматриваемой конструкции возбуждают в потоке устойчивую поперечную циркуляцию; вместе с тем интенсивность ИПЦ, возбуждаемой косонаправленными донными порогами, несколько ниже в сравнении с фронтальными. Данное обстоятельство объясняется увеличением длины водосливного фронта порога, вызывающим некоторое смещение динамической оси потока в сторону перекрытой порогом части русла; 2) при значении Pотн = 0,3 для величин стеснения потока n 0,4 принимает отрицательные значения, что свидетельствует о смещении динамической оси потока в сторону перекрытой порогом части русла. В условиях реальной работы сооружения это теоретически может повлечь за собой подтягивание масс донных наносов к водоприемнику, что резко снижает наносозащитные функции порогов рассматриваемой конструкции с n 0,4 при Pотн = 0,3. 3) графики зависимостей = f (n) для порогов рассматриваемой конст рукции свидетельствуют о влиянии факторов Pотн и Vотн на интенсивность возбу ждаемой ИПЦ, причем степень влияния Vотн для косонаправленных донных поро гов выше в сравнении с фронтальными донными порогами. Косонаправленные ( = 75) донные циркуляционные пороги переменной высоты: а) – функциональные зависимости = f (n) для рассматриваемых значений Pотн при Vотн = 0,833 = const, б) – функциональные зависимости = f (n) для рассматриваемых значений Vотн при Pотн = 0,4 = const Далее была подробно изучена кинематическая структура потока в зоне ко-сонаправленных ( = 75) донных циркуляционных порогов с целью оценки характера влияния косого расположения преграды на скоростной режим винтовых течений вдоль ее верховой и низовой граней. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что интенсивность винтовых течений вдоль верховой и низовой граней КДЦП при постоянной величине n практически не зависит от гидравлического режима работы преграды. На рисунке 3.2.2 приведены графические зависимости вида Vвинт.x/V0 = f (x), построенные по осредненным значениям продольных скоростей винтовых течений для каждой величины n.
На основании анализа полученных экспериментальных данных дана следующая оценка работы косонаправленных ( = 75) донных циркуляционных порогов [45]:
1) косое расположение порога относительно береговой линии положительно сказывается на интенсивности винтовых течений вдоль верховой грани порога ввиду увеличения скорости винта в центральной части преграды. Также необходимо отметить смещение точки раздела течений к борту лотка, что объясняется уменьшением мощности водоворотной зоны у корня косонаправленных донных циркуляционных порогов в сравнении с фронтальными.
2) для КДЦП защитные функции винтовых течений вдоль низовой грани преграды несколько снижаются в сравнении с фронтальными донными циркуляционными порогами, что обуславливается смещением точки раздела течений к концевой части преграды.
Таким образом, уменьшение угла установки порога к береговой линии приводит к некоторому снижению интенсивности искусственной поперечной циркуляции в потоке, формируемой порогами рассматриваемой конструкции в сравнении с фронтальными донными циркуляционными порогами. Также снижаются защитные функции винтовых течений вдоль низовой грани порога.
Гидравлические условия работы донных циркуляционных порогов, расположенных под углом = 60 к береговой линии, изучались В.С. Бондаренко при разработке компоновочной схемы бесплотинного водозаборного гидроузла на р. Терек. Здесь необходимо отметить, что исследования проводились им только для величины стеснения потока п = 0,2 [13]. Данное положение характерно для всех углов установки порогов , рассмотренных В.С. Бондаренко. Для получения детальной картины взаимодействия порогов рассматриваемой конструкции были проведены лабораторные исследования в широком диапазоне величин стеснения потока п = 0,2; 0,35; 0,5; 0,65; 0,8 при различных гидравлических режимах модельного потока.
Полученные графики и зависимости, характеризующие интенсивность формируемой в потоке ИПЦ порогами рассматриваемой конструкции, приведены на рисунке 3.2.3.
На основании анализа полученных экспериментальных данных дана следующая оценка работы косонаправленных ( = 60) донных циркуляционных порогов [46]: 1) дальнейшее уменьшение угла установки порога к борту лотка приводит к снижению интенсивности формируемой в потоке искусственной поперечной циркуляции. Если учесть тот факт, что ИПЦ рассматривалась предшествующими исследователями как важное защитное течение, то становится очевидным Косонаправленные ( = 60) донные циркуляционные пороги переменной высоты: а) – функциональные зависимости = f (n) для рассматриваемых значений Pотн при Vотн = 0,833 = const, б) – функциональные зависимости = f (n) для рассматриваемых значений Vотн при Pотн = 0,4 = const необходимость проверки рекомендуемых Г.В. Соболиным и В.С. Бондаренко углов установки порогов .
2) с уменьшением угла от 75 до 60 направление циркуляционных течений меняется на противоположное (в сторону перекрытой порогом части русла) при Ротн = 0,3 для всех рассматриваемых значений п, что свидетельствует об ограниченности применения порогов рассматриваемой конструкции при высоких горизонтах воды в реке.
3) интенсивность искусственной поперечной циркуляции, формируемой КДЦП с = 60, практически не зависит от средней скорости основного потока.
Анализ результатов исследований кинематической структуры потока в зоне косонаправленных донных ( = 60) циркуляционных порогов показал, что интенсивность винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порогов рассматриваемой конструкции при постоянной величине п практически не зависит от гидравлического режима работы преграды. Данное положение является справедливым также для углов установки порога 90 и 75. На рисунке 3.2.4 приведены графические зависимости вида Vвинт. /V0 = f (x), построенные по осредненным значениям продольных скоростей винтовых течений для каждой величины п.
Результаты исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов на размываемой модели водозаборного гидроузла на малой горной реке III группы в условиях бесплотинного отбора воды с коэффициентом водозабора = 0,10...0,20
Опыты по определению действительной ширины захвата отводом донных линий токов bд (фактически – требуемой величины стеснения русла n) были выполнены для значений коэффициента водозабора = 0,10; 0,15; 0,20.
В соответствии с принятой методикой проведения лабораторных исследований, подробно изложенной в пункте 2.2 Главы 2, для каждого гидравлического режима работы донной преграды был оценен процент завлеченных в водоприемник влекомых наносов (величина К%), характеризующий эффективность работы донных циркуляционных порогов, устроенных в соответствии с рекомендациями В. А. Шаумяна (формула 1.1) и А. С. Образовского (формула 1.3), а также оценены значения К% для не защищенного порогом отвода. Полученные данные в графической форме представлены на рисунках 4.2.1-4.2.3.
На основании анализа полученных экспериментальных данных дана следующая оценка работы донных циркуляционных порогов рассматриваемых конструкций [43]: - зависимость (1.3.1) В. А. Шаумяна для определения величины bд, предложенная им на основе анализа результатов лабораторных исследований гидравлических и наносных условий работы донных циркуляционных порогов постоянной высоты на модели с гладким руслом прямоугольного сечения, в условиях решаемой нами задачи дает заниженные значения ширины захвата отводом донных ли 120 ний токов. Об этом свидетельствует достаточно высокий процент завлечения в отвод донных наносов при значениях коэффициента водозабора 0,15. Данное положение объясняется значительной инерционностью частиц жидкости в придонном слое и, соответственно, меньшим их отклонением от начальной траектории под действием отвода при движении потока в гладком русле. В условиях же достоверно воспроизведенной шероховатости дна и берегов модельного водотока действительная величина bд принимает при прочих равных условиях большие значения, что обуславливает необходимость устройства порогов большей длины. Для малых коэффициентов водозабора ( 0,10) зависимость В. А. Шаумяна позволяет получать приемлемые для практических целей значения bд и n.
Отметим, что наиболее эффективно в сложных гидравлических и наносных условиях работают пороги с углами установки = 15... 45.
Для донных циркуляционных порогов с геометрическими характеристиками, определенными с использованием рекомендаций В.А. Шаумяна, на величину K% определяющее влияние оказывают величины отбираемых расходов. Так для порогов с = 45 осредненный процент завлеченных в отвод наносов K%,ср по всем экспериментальным режимам работы преграды составляет: - зависимость (1.3.3) А. С. Образовского для определения величины bд, разработанная им для земляных русел, в условиях решаемой нами задачи позволяет достоверно определять требуемую величину стеснения потока n, и, соответственно, длину донных циркуляционных порогов, необходимую для надежной защиты водоприемника от завлечения донных наносов во всем диапазоне рассматриваемых значений коэффициента водозабора .
Наилучшими эксплуатационными показателями здесь также обладают донные циркуляционные пороги с углами установки = 15... 45.
Необходимо отметить, что для порогов с геометрическими характеристиками, определенными с использованием рекомендаций А. С. Образовского, величина K% практически не зависит от значений коэффициента водозабора и составляет в среднем 4,8% для всех рассматриваемых режимов работы водозаборного сооружения [43]. - при значении = 0,20 для 1 экспериментального режима характерно образование за порогом надвинутого прыжка, т.е. наносорегулирующее устройство в этом случае работало как подтопленная преграда. Данный гидравлический режим работы характеризовался повышенным процентом завлечения в отвод донных наносов вследствие неустойчивой кинематической структуры потока за порогом и в условиях эксперимента не зависел от планово-геометрических характеристик преграды. Полученные результаты были учтены при разработке рекомендаций.
На основании вышеизложенного было принято решение о включении зависимости А. С. Образовского для определения требуемой величины стеснения потока в состав разрабатываемых рекомендаций по устройству и эксплуатации донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов на предгорных и долинных участках малых горных рек III группы.
Результаты комплексных лабораторных исследований гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов на модели с неразмываемым руслом в условиях недеформированного отводом потока подробно изложены в Главе 3. Выявленные в ходе отмеченной экспериментальной серии закономерности условий формирования в потоке искусственной поперечной циркуляции и винтовых течений вдоль верховой и низовой граней донных преград позволяют с научной точки зрения подойти к изучению качественной и количественной картины взаимодействия бесплотинного водозаборного гидроузла исследуемой конструкции с модельным потоком.
На рисунках 4.2.4- 4.2.9 приведена качественная картина переформирования бытового русла в зоне влияния бесплотинного водозаборного сооружения, водо 125 приемное отверстие которого защищалось донными циркуляционными порогами с различными планово-геометрическими характеристиками. Представленные фотографии соответствуют условиям работы гидроузла в условиях высокого для бесплотинного забора воды коэффициента = 0,20. Данное обстоятельство продиктовано необходимостью рассмотрения и учета наиболее сложных гидравлических и наносных условий работы отвода при составлении рекомендаций по устройству и эксплуатации донных циркуляционных порогов в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов. Отметим, что представленная качественная картина переформирования бытового русла характерна для всех рассмотренных значений коэффициента водозабора = 0,10; 0,15; 0,20. Вместе с тем в рассматриваемых условиях ( = 0,20) русловые деформации приобретают наиболее выраженные характерные черты; величина K% принимает в этом случае максимальные значения [44]. Угол установки порога = 90. Донные циркуляционные пороги с углом установки = 90 формируют в потоке устойчивую поперечную циркуляцию (см. рисунок 3.1.2); вместе с тем защитные функции винтовых течений вдоль верховой и низовой граней донной преграды не получают достаточного развития ввиду взаимной перпендикулярности осей основного потока и циркуляционного порога (см. рисунок 3.1.4).
Скоростной режим винтовых течений вдоль верховой грани фронтальных донных циркуляционных порогов характеризуется наличием точки раздела течений, находящейся в общем случае на расстоянии lп/4 от корня порога (места примыкания порога к борту лотка), а также малыми значениями относительных величин продольных скоростей винтовых течений Vвинт.х/V0 0,4 на участке от lп/3 до 5lп/6 (рисунок 3.1.4, а). Точка раздела течений за низовой гранью порога находится в средней части преграды. Относительные величины продольных скоростей винтовых течений вдоль низовой грани фронтальных донных циркуляционных порогов по модулю не превышают 0,3 (рисунок 3.1.4, б).
В этой связи для донных преград рассматриваемой конструкции характерно образование застойных областей (водоворотных зон) в месте примыкания порога к берегу. Со стороны верховой грани порога застойная область занимает до половины длины преграды; водоворотная зона за низовой гранью порога формируется по всей длине последнего. Данное обстоятельство, обуславливаемое кинематической структурой потока в зоне донного циркуляционного порога, способствует формированию здесь областей неразмываемых наносных отложений (фигуры 1 и 2, рисунок 4.2.4). Величина и направление скорости винтового течения вдоль верховой грани порога в его концевой обуславливают образование здесь локальной области размыва (фигура 3, рисунок 4.2.4). Зона обтекания фронтальных донных циркуляционных порогов имеет четко выраженные очертания и ограничена на схеме пунктирными линиями [44].