Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Шахтный водосброс как объект изучения 18
Глава 2. Современное состояние расчёта шахтных водосбросов
2.1. Профиль проточного тракта шахтного водосброса 23
2.1.1. Водоприёмная воронка 23
2.1.1.1. Анализ параметров свободнопадающих плоских потоков 24
2.1.1.2. Очертание профиля сливной поверхности водоприёмной воронки
2.1.2. Конструкция ствола шахты 39
2.1.3. Конструкция сопрягающего колена 42
2.1.4. Существующие технические решения по назначению толщи-ы стен шахты
2.2. Анализ существующих технических решений проектирования 49
и расчёта шахтных водосбросов
2.2.1. Оценка величины допустимого вакуума на оголовке водоприёмной воронки
2.2.2. Очертание водосливной поверхности водоприёмной воронки и ствола шахты
2.2.3. Конструкция сопрягающего колена шахты 55
2.3. Гидравлические расчёты шахтных водосбросов 58
2.3.1. Существующая методика расчёта пропускной способности водоприёмной воронки шахтных водосбросов
2.3.1.1. Пропускная способность водоприёмной воронки с острой кромкой
2.3.1.2. Пропускная способность водоприёмной воронки с безвакуумным профилем
2.3.1.3 Определение величины масштабной поправки при вычисле- 70
нии коэффициента расхода водоприёмной воронки 2.3.2. Существующие методики расчёта пропускной способности 73
шахтных водосбросов в напорном режиме
2.3.2.1. Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном режиме всего водопроводящего тракта
2.3.2.2. Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном режиме ствола шахты и сопрягающего колена Водосбросы, в которых предусмотрена работа в напорном режиме только ствола шахты
Гидравлические расчёты сопрягающего колена шахтного водосброса
Распределение давления на сливной поверхности шахтного водосброса
Вопросы аэрации потока в шахте
Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. Предложения по устранению выявленных недостатков конструкций шахтных водосбросов
3.1. Конструктивные решения
3.1.1. Очертание в плане шахты полигонального поперечного сечения
3.1.2. Определение параметров образующих поверхностей сливных граней шахты
3.1.3. Определение размеров поперечных сечений шахты
3.1.4. Определение параметров образующих поверхностей внешних граней шахты
3.1.5. Влияние вакуума в подструйном пространстве на параметры нижней поверхности струи в шахте
3.1.6. Определение параметров сопрягающего колена шахты
3.2. Модельные гидравлические исследования шахтного водосбро са полигонального поперечного сечения
3.2.1. Методика модельных гидравлических исследований
3.2.2. Экспериментальная установка
3.2.3. Модельная установка
3.2.4. Контрольно-измерительная аппаратура
3.2.5. Оценка точности результатов модельных гидравлических исследований
3.2.5.1. Оценка точности измерения расходов
3.2.5.2. Точность определения давления
3.2.5.3. Точность определения местной скорости потока
3.2.5.4. Точность определения расхода по измерениям скорости 81 101
3.2.6. Состав исследований 155
3.3. Выводы по главе 3 159
ГЛАВА 4. Результаты визуальных наблюдений работы шахтного водосброса полигонального поперечного сечения
4.1. Режим безнапорной работы всего проточного тракта 160
4.2. Режим с заполненным стволом шахтного водосброса 165
4.3. Режим с затопленной водоприёмной воронкой 167
4.4. Выводы по главе 4 177
ГЛАВА 5. Результаты модельных исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения
5.1. Теоретический анализ пропускной способности шахтного водосброса 178
5.2. Пропускная способность шахтного водосброса полигонального поперечного сечения
5.3. Анализ результатов экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с неподтопленным режимом работы водоприёмной воронки
5.3.1. Водоприёмная воронка со свободным входом 192
5.3.2. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа 199
5.3.3. Водоприёмная воронка с бычком со стороны нижнего бьефа 202
5.3.4. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа и укороченным участком нижнего бьефа
5.3.5. Водоприёмная воронка с бычком со стороны верхнего бьефа и тонкой стенкой со стороны нижнего бьефа
5.3.6. Определение величины коэффициента расхода при малых напорах
5.3.7. Анализ результатов обработки исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения при неподтопленном переливе через водоприёмную воронку
5.4. Порядок расчёта пропускной способности шахтного водосброса при безнапорном режиме работы водоприёмной воронки
5.5. Работа шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с затопленной водоприёмной воронкой
5.5.1. Определение границы режима работы шахтного водосброса с неподтопленной водоприёмной воронкой
5.5.2. Определение коэффициента сжатия потока 234
5.5.3. Определение коэффициента скорости потока 239
5.5.3.1. Определение коэффициента Кориолиса кинетической 239 энергии
5.5.3.2. Анализ результатов расчётов величины коэффициента 245 Кориолиса
5.5.3.3. Определение коэффициента потерь по длине ствола шахты 247
5.5.3.4. Определение коэффициентов местных сопротивлений 249
5.5.3.5. Анализ результатов вычисления коэффициентов сопротивле- 251 ний шахтного водосброса полигонального поперечного сечения
5.5.4. Распределение давления по высоте выходного сечения кон- 254 фузора по результатам экспериментального изучения работы шахтного водосброса в напорном режиме
5.5.5. Сопоставление экспериментальных и расчётных значений 257 коэффициента расхода шахтного водосброса полигонального поперечного сечения при напорном режиме работы ствола шахты
5.6. Выводы по главе 5 260
ГЛАВА 6. Изучение распределения давлений в проточном тракте шахты
6.1. Общая картина распределения давления в проточном тракте 264 шахтного водосброса полигонального поперечного сечения
6.2. Изучение распределения давления на сливные поверхности 266 ствола шахты
6.3. Распределение давлений на оголовке водоприёмной воронки шахты
6.4. Анализ распределения давлений по высоте ствола шахты 273
6.5. Оценка возможности кавитационной эрозии водосливной поверхности водосброса
6.6. Изучение распределения давлений на стыке сливных граней 282
6.7. Рекомендации по назначению коэффициента расхода шахт- 285
ного водосброса с 8-и и 4-хгранным поперечным сечением
6.8 Выводы по главе 6 287
ГЛАВА 7. Определение параметров потока в сопрягающем колене шахтного водосброса
7.1 Теоретическое определение кинематического давления потока на вогнутую поверхность сопрягающего колена
7.2. Определение кривизны свободной поверхности безнапорного потока в сопрягающем колене шахтного водосброса
7.3. Результаты обработки данных экспериментов по определению кривизны свободной поверхности
7.4. Сопоставление теоретических расчётов и результатов экспериментальных исследований кинематических характеристик потока в безнапорном сопрягающем колене шахтного водосброса
7.4.1.. Гидродинамическое давление на дно сопрягающего колена 307
7.4.2. Распределение скоростей по глубине потока 309
7.4.3. Распределение давлений по глубине потока 313
7.5. Выводы по результатам определения параметров потока в 314 сопрягающем колене и рекомендации
7.6. Определение потерь энергии в сопрягающем колене шахтных 315 водосбросов
7.6.1. Методика определения потерь энергии в сопрягающем ко- 316 лене шахтного водосброса
7.6.2. Результаты исследования работы сопрягающего колена при 319 безнапорном режиме работы
7.6.3. Выводы и рекомендации определение потерь энергии в со- 325 прягающем колене шахтных водосбросов при безнапорном режиме
7.7. Результаты исследования работы сопрягающего колена при 326
напорном режиме работы
7.8. Выводы по главе 7 330
ГЛАВА 8. Определение параметров ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения башенного типа
8.1. Задачи расчётов 331
8.2. Определение нагрузок от собственного веса конструкции 335
8.3. Расчёт воздействия внешних гидростатических нагрузок 337
8.4. Расчёт ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса 338
8.4.1. Расчёт средней составляющей ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса
8.4.2. Определение частоты собственных колебаний ствола шахтного водосброса
8.4.3. Расчёт пульсационной составляющей ветровой нагрузки на ствол шахтного водосброса
8.4.4. Расчёт распределения ветрового давления на ствол шахтного водосброса
8.5. Расчёт волновой нагрузки на ствол шахтного водосброса 348
8.6. Расчёты ствола шахтного водосброса башенного типа на 353 сейсмические воздействия
8.7. Анализ результатов расчёта напряжений в стволе шахты 367
8.8. Определение оптимальных очертаний ствола шахты 371
8.9. Выводы по главе
сновные общие выводы 377
Список литературы
- Очертание профиля сливной поверхности водоприёмной воронки
- Определение параметров образующих поверхностей сливных граней шахты
- Режим с заполненным стволом шахтного водосброса
- Анализ результатов экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с неподтопленным режимом работы водоприёмной воронки
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Шахтные водосбросы относятся к сооружениям, активно используемым в гидротехническом строительстве уже около 90 лет. Тем не менее, исследованиям их работы посвящено значительно меньше научных трудов, чем другим гидротехническим сооружениям. В довоенные годы были заложены основы теоретических расчётов проточной части шахтных водосбросов трудами А.Н. Ахутина, Т.В. Ивановой, А.И. Севко, Н.Л. Ролле. А.М. Бинне, Р.К. Врихта, Ц.С. Кампа, И.В. Хове. В послевоенные годы резко возрос интерес к теоретическим исследованиям шахтного водосброса после появления работы Вагнера, посвящённой исследованиям кольцевого водослива с острой кромкой. В СССР появляются работы Н.И. Романько, В.Г. Скряги, С.В. Соколовского, П.П. Мойса, Г.Н. Мусаева, А.А. Карфиляна, С.П. Лаврентьева, Н.Т. Кавешникова и др. Из зарубежных учёных, изучавших работу шахтных водосбросов, следует отметить В.Е. Вагнера, И.Н. Бредли, А.Т. Петерку, П. Новака, И. Кабелку. История проектирования водосливной поверхности шахтного водосброса повторила историю формирования водосливов практического профиля, сливной поверхности которого придавали форму нижней поверхности струи, формирующейся на водосливе с острой кромкой для получения безвакуумного профиля. При этом следует отметить некоторый консерватизм в практике зарубежного проектирования шахтных водосбросов. До сего времени методика проектирования проточной части ствола шахтных водосбросов основывается на работе Вагнера 1954г.
Методика некоторых аспектов гидравлических расчётов шахтных водосбросов включена в соответствующие “Рекомендации по гидравлическим расчётам” и гидравлические справочники. Тем не менее, до сих пор нет чётко разработанных методик гидравлического расчёта шахтных водосбросов как единого водосбросного сооружения, состоящего из водоприёмной воронки, ствола и сопрягающего колена. Более того, существующие работы, посвященные, в основном, гидравлическим расчётам водоприёмной воронки, позволяют запроектировать четыре варианта очертаний её сливной поверхности. Таблицы для расчёта очертаний профиля воронки, приведенные в справочной литературе, дают возможность определить координаты сливной поверхности только воронки на высоте 3…5 расчётных напоров в пределах 6…10 метров.
К недостаткам существующих методов расчёта шахтных водосбросов также можно отнести неучёт возможностей производства работ по их сооружению. Прежде всего, следует отметить, что технология производства работ находится в некотором противоречии с технологией, необходимой для сооружения так называемого “идеального” очертания внутренней поверхности шахты. Внутренняя поверхность водоприёмной воронки и ствола шахты выполняется вогнутой в поперечном направлении и выпуклой в продольном. С геометрической точки зрения она представляет собой трёхмерную поверхность. Современные методы производства работ не имеют возможности выполнять опалубку для таких поверхностей, в связи с чем, они аппроксимируются системой усечённых конусов, вписанных в продольный профиль шахты, что влечёт создание в процессе строительства сливной поверхности с переломами, служащими очагами формирования отрывных течений с образованием кавитационно опасных зон. Для устранения этих недостатков, в процессе проектирования шахтных водосбросов автором была разработана конструкция шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением, устраняющая эти противоречия.
Конструкция шахтного водосброса с полигональным поперечным сечением защищена патентами РФ №2250951 от 25.03.2003 г и 2341615 от 14.02.2007 г. По техническому решению этих патентов, институтом ЗАО ПО “Совинтервод” запроектировано для Сирийской Арабской Республики шесть шахтных водосбросов для гидроузлов с напорами от 25 до 45 м и расчётными расходами от 65 до 400м3/с. ЗАО “Зарубежводстрой” для Алжирской Республики автором был запроектирован шахтный водосброс полигонального поперечного сечения гидроузла Джедра с напором 55 м и расчётным расходом 636м3/с.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является проведение анализа существующих методов расчёта шахтных водосбросов и разработка конструкции шахтного водосброса, обеспечивающего возможность с минимальными затратами реализовать проектные решения в процессе их строительства, а также разработать комплексную методику, позволяющую выполнить гидравлические, конструктивные и прочностные расчёты шахтного водосброса, преимущественно башенного типа.
В соответствии с поставленной целью в работе необходимо было решить следующие задачи:
- проанализировать существующие методы расчёта шахтных водосбросов, наиболее отвечающих реальным условиям движения воды;
- разработать конструкции шахтного водосброса, отвечающие возможностям производства работ;
- выполнить теоретическое обоснование геометрических параметров шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- разработать теоретические основы расчёта гидравлических параметров потока по всей длине проточного тракта шахтного водосброса;
- экспериментально изучить работу шахтного водосброса полигонального поперечного сечения на физической модели;
- изучить распределение осреднённого гидродинамического давления по всей длине проточного тракта шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- изучить кинематическую структуру потока в сопрягающем колене;
- на основании результатов модельных гидравлических исследований разработать расчётные зависимости для гидравлических расчётов шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- разработать теоретическое обоснование кинематических параметров потока в
сопрягающем колене, работающем в безнапорном режиме;
- разработать методику определения расчётных напряжений в сечениях ствола
шахты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик поперечного сечения по его длине;
- разработать методику определения расчётных напряжений в сечениях ствола шахты при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии на ствол
шахтного водосброса башенного типа;
- разработать методику определения оптимальных конструктивных параметров шахтного водосброса башенного типа.
Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
1. Выполнен анализ существующих методов расчёта проточного тракта шахтных водосбросов, позволивший выявить из них наиболее соответствующий реальным условиям движения воды.
2. Выявлен разрыв между теорией расчёта проточного тракта шахтного водосброса и технологическими возможностями строительства, не позволяющими реализовать на практике теоретические параметры проточного тракта шахтного водосброса.
3. Разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, устраняющая разрыв между теорией расчёта проточного тракта шахтного водосброса и технологическими возможностями строительства. Конструкция защищена двумя патентами РФ на изобретения.
4. Выполнено теоретическое обоснование параметров проточного тракта и внешнего контура ствола шахтного водосброса башенного типа.
5. Выполнено теоретическое обоснование возможности применения вакуумных оголовков водоприёмной воронки.
6. Выполнены теоретические расчёты по определению осреднённого гидродинамического давления на криволинейную поверхность сопрягающего колена, работающего в безнапорном режиме.
7. Проведены детальные модельные гидравлические исследования шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, работающего как в напорном, так и безнапорном режиме.
8. Изучено распределение гидродинамического давления по длине и периметру проточного тракта шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, включая вогнутую поверхность сопрягающего колена.
9. Определены коэффициенты сопротивления сопрягающего колена при его работе в безнапорном и напорном режиме.
10. Разработана методика определения расчётных напряжений в сечениях ствола шахты при сложной конфигурации изменения геометрических характеристик поперечного сечения по его длине.
11. Разработана методика определения расчётных напряжений в сечениях ствола шахты при ветровом, волновом и сейсмическом воздействии.
12. Разработана методика определения оптимальных конструктивных
параметров шахтного водосброса башенного типа.
На защиту выносятся следующие положения
- новая конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- теоретическое обоснование расчёта сливных граней ствола шахты без образования рёбер перегиба по всей длине проточного тракта от гребня водоприёмной воронки до отводящего водовода;
- теоретическое обоснование возможности использования вакуумных оголовков круглоцилиндрического поперечного сечения водоприёмной воронки;
- теоретическое определение параметров свободнопадающей струи при давлении в подструйном пространстве, отличном от атмосферного;
- расчётные зависимости для определения пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- результаты изучения распределения осреднённого гидродинамического
давления на сливную поверхность ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- результаты изучения вакуума на оголовке водоприёмной воронки ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
- результаты изучения распределения осреднённого гидродинамического давления на пересечениях сливных граней ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения;
-теоретическое определение распределения осреднённого гидродинамического давления на криволинейную поверхность сопрягающего колена при его безнапорном режиме работы;
- результаты изучения кинематических характеристик потока и потерь энергии в сопрягающем колене при его безнапорном режиме работы;
- методика расчёта напряжений в стволе шахтного водосброса башенного типа от ветрового, волнового и сейсмического воздействия;
- методика определения оптимальных параметров ствола шахтного водосброса полигонального поперечного сечения башенного типа.
Практическое значение работы. Практическая ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем.
Анализ существующих методов расчёта параметров водосливной поверхности ствола шахты позволил выделить наиболее достоверные решения, соответствующие физическим явлениям, сопровождающим движение воды в стволе шахты, и позволяющие запроектировать оптимальные конструкции.
Установлено, что внимание исследователей и авторов справочной литературы посвящено только расчётам проточного тракта шахтного водосброса. При этом совершенно не учтён тот факт, что современные технологии строительства не позволяют реализовать на практике поверхности, которые получены по результатам гидравлических расчётов. Одновременно, отсутствуют рекомендации по проектированию внешнего контура шахтных водосбросов и расчётам прочности конструкции.
Для устранения выявленных недостатков расчётов шахтных водосбросов, разработана конструкция шахтного водосброса полигонального поперечного сечения, приводящая в соответствие гидравлические расчёты шахтного водосброса и технологические возможности его возведения. Обоснована конструктивная необходимость выполнения поперечного сечения ствола шахты в виде многоугольника с числом граней, кратным четырём. При этом четыре грани выполняются в виде криволинейных трапеций, а остальные грани в виде криволинейных треугольников.
Разработана методика расчёта параметров водосливных граней проточной части шахтного водосброса полигонального поперечного сечения для 12-и, 8-и и 4-хгранной сливной поверхности.
Теоретически обоснована возможность применения на шахтных водосбросах полигонального поперечного сечения вакуумных круглоцилиндрических оголовков. Выполнены подробные модельные исследования шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с 12-игранной водоприёмной воронкой, позволившие получить:
- зависимость пропускной способности шахтного водосброса с неподтопленным и подтопленным режимом работы водоприёмной воронки для различных условий конструктивного оформления водоприёмной воронки и параметров акватории, в которой установлен шахтный водосброс;
- изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на оголовке водоприёмной воронки и сливных гранях;
- при его безнапорном режиме работы изучено распределение осреднённого гидродинамического давления на вогнутую поверхность сопрягающего колена и кинематические характеристики потока;
- изучена кинематика потока в выходном сечении сопрягающего колена с коаксиальными криволинейными поверхностями, работающего в напорном режиме для двух высот колена;
- предложены расчётные зависимости определения коэффициента расхода для ряда вариантов конструктивного оформления водоприёмной воронки с неподтопленной и с затопленной водоприёмной воронкой и обобщённая зависимость, при расчётах по которой, по сравнению с оригинальными зависимостями, отклонения коэффициентов расхода не превосходят ±2%.
Получены расчетные значения коэффициентов кавитации в проточном тракте ствола шахты полигонального поперечного сечения с эллиптическими образующими, позволившие сделать вывод о кавитационной безопасности сливной поверхности ствола на основании данных модельных исследований.
Установлено, что на цилиндрическом оголовке водоприёмной воронки шахтного водосброса полигонального поперечного сечения максимальный вакуум в два раза меньше, чем на таком же прямолинейном водосливе. Это позволяет использовать вакуумные оголовки на шахтных водосбросах при напорах, достигающих Нмакс=7.0м. При этом коэффициент расхода повышается до величины m=0.50…0.52 по сравнению с коэффициентом расхода m=0.43…0.45 шахтных водосбросов безвакуумного профиля.
Выполнены теоретические расчёты распределения осреднённого гидродинамического давления на криволинейную грань сопрягающего колена при безнапорном режиме работы. Сопоставление результатов расчётов с данными экспериментов показало хорошую сходимость в широком диапазоне расходов.
Разработаны методические рекомендации с примерами расчёта напряжений в поперечных сечениях ствола шахты по высоте с учётом:
собственного веса;
- внешнего гидростатического давления;
- ветровой нагрузки;
- волновой нагрузки;
- сейсмических воздействий.
Приведен пример определения оптимальных параметров очертаний ствола шахты для варианта с сейсмическим воздействием и при его отсутствии.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами модельных исследований шахтного водосброса полигонального поперечного сечения в широком диапазоне конструктивных и гидравлических параметров и совпадением с ними данных теоретических расчётов..
Методы исследования: теоретические и модельные гидравлические исследования совместно с конструкторскими расчётами.
Реализация работы. На основании теоретических расчётов и конструктивных проработок запроектировано шесть шахтных водосбросов для Сирийской Арабской республики и один шахтный водосброс для Алжирской Народно-демократической республики. Параметры и работоспособность шахтного водосброса гидроузла Джедра в АНДР подтверждены гидравлическими исследованиями на модели в масштабе 1:60 натуральной величины. По требованию «Заказчика», в процессе модельных гидравлических исследований был снят полуторачасовой фильм. Замечаний к результатам исследований не было, и по этому гидроузлу объявлен тендер на строительство.
Апробация работы. Тематика основных положений диссертации и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 2003-2012 г.г., на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Москва, ВВЦ, июль 2004 г.), на 3-й научно-технической конференции "Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии" - 2008г., на 4-й- 2009г, на 5-й- 2010г., ВНИИГ им Б.Е.Веденеева, Санкт-Петербург, на четвёртом всероссийском совещании гидроэнергетиков "Гидроэнергетика России. Развитие. Надёжность. Безопасность." круглый стол №3, 2010г Москва., на международной научно-практической конференции МГУП "Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства", 2010г, Москва.
Публикации. Основные положения по вопросам, затронутым в диссертации, опубликованы в 31-й печатной работе, в том числе 16 публикаций в изданиях по перечню ВАК и двух патентах РФ.
Личный вклад. Настоящая работа выполнена в порядке личной инициативы автора. Все модели, исследования и обработка основных данных экспериментов выполнены автором.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав с частными выводами, общих выводов, библиографии (187 наименования из которых 23 на иностранных языках) и приложения. Содержит 430 страниц машинописного текста, в том числе 34 таблицы, 245 рисунка и 10 приложений.
Очертание профиля сливной поверхности водоприёмной воронки
Шахтные водосбросы в гидротехническом строительстве можно отнести к одному из самых молодых водосбросных сооружений. Хотя первый шахтный водосброс был запроектирован ещё в 1896 году, его строительство осуществлено лишь двадцать лет спустя [6]. В связи с новизной конструкции, шахтные водосбросы не получили не только широкого распространения в первые десятилетия прошлого века, но и не вызвали интерес как к гидравлическому явлению. Достаточно отметить, что в наиболее полном и основополагающем отечественном “Гидравлическом справочнике” Н.Н. Павловского 1937 года [95] не имеется даже упоминания об этом сооружении. Из зарубежной литературы можно привести пример более позднего издания учебника по гидравлике [177], опубликованного в 1981 г и справочника по гидротехнике, вышедшего в 2003 году [179]. В учебниках по гидравлике и гидротехническим сооружениям СССР также не рассматривался шахтный водосброс ни с точки зрения гидравлических расчётов, ни как конструкция. В последнее время гидравлические расчёты шахтного водосброса изложены в ученике по гидротехническим сооружениям под редакцией Л.Н. Рассказова [23, 24]. Только в 1955 году в справочнике по гидротехнике [139] появился раздел, посвящённый гидравлическим расчётам шахтного водосброса.
Интерес к использованию шахтных водосбросов возрастал по мере перемещения гидротехнического строительства в аридную и горную зоны. Особенностью гидрологического режима этих зон является наличие паводков ливневого характера с высокой интенсивностью осадков, в результате чего пик расходов формируется в течение нескольких часов и даже десятков минут. При этом максимальный расход паводка может достигать сотен куб. м/с. В этих условиях необходимо использование водосбросов автоматического действия, с ролью которого прекрасно справляется шахтный водосброс.
К неоспоримым достоинствам шахтного водосброса следует отнести его компактность, так что стройплощадка для его возведения становится точечной, требующей минимального объёма подготовительных и вспомогательных работ. Диапазон параметров, в которых применяются шахтные водосбросы, находится в широких пределах. Шахтные водосбросы нашли применение на гидроузлах с напорами от нескольких до 130 метров. По расходам построенные шахтные во досбросы рассчитаны на пропуск от десятков до тысяч куб. м/с. Диаметры водоприёмных воронок составляют от нескольких метров до десятков метров. Наиболее впечатляющим можно признать шахтный водосброс гидроузла Сан Валентино в Италии. Шахтный водосброс представляет собой батарею из 3-х шахт, две из которых имеют водоприёмные воронки с внешним диаметром 25.5 м и одна шахта имеет диаметр 21.5м, фото которого приведено на рис. 1.1 [168]. Суммарная пропускная способность 800 куб. м/с при напоре на гребне 1.4 м.
В составе этого водосброса отводящий водовод и энергогасящее концевое устройство являются самостоятельными сооружениями, которые в значительной степени не связаны с конструкцией шахты.
Одной из особенностей строительства гидроузлов с шахтными водосбросами является их размещение в узких створах. В этом случае пропуск строительных расходов осуществляется через специальные водоводы, выполняемых в виде туннелей или железобетонных труб. После возведения гидроузла водоводы для пропуска строительных расходов не используются, а необходимость их возведения удорожает строительство. Выбор в качестве водосбросного сооружения шахтного водосброса позволяет использовать водоводы для пропуска строительных расходов в качестве эксплуатационного отводящего водовода. Использование шахтного водосброса в ряде случаев позволяет не увеличивать их поперечное сечение. Несмотря на то, что строительные расходы по обеспеченности на порядок выше обеспеченности эксплуатационных расходов (5% и 10% соответственно для сооружений I-го и III-его классов по сравнению с обеспеченностью 0.1% и 1%), размеры поперечного сечения строительных водоводов зачастую больше сечения, определяемого из условий пропуска эксплуатационных расходов. Это связано с тем, что напоры, используемые при пропуске строительных расходов многократно меньше напоров шахтных водосбросов в период их эксплуатации. При пропуске строительных расходов перепад уровней верхнего и нижнего бьефов редко превышают 5…10 метров, в то время как действующие напоры на гидроузлах с шахтными водосбросами могут превосходить 100 м. В этих условиях параметры отводящего водовода шахтного водосброса не определяются однозначно параметрами шахты. То же можно сказать и об энергогасящем сооружении, тип и конструкция которого зависят от топографических и геологических условий в нижнем бьефе гидроузла и, в конечном счёте, определяются экономическими соображениями. Таким образом, собственно шахтный водосброс состоит из водоприёмной воронки, ствола шахты и сопрягающего колена, которые и рассматриваются в дальнейшем.
Определение параметров образующих поверхностей сливных граней шахты
Расчёт по (2.24) выполнен для условий свободного падения струи при отсутствии перепада давления в подструйном и надструйном пространстве р=0. Там же нанесены траектория свободного падения, и очертания нижней поверхности струи по данным “Рекомендаций по гидравлическому расчёту водосливов” [100] и по экспериментальным координатам Кригера [95] и Базена [176].
Как видно из сопоставления кривых, расчётные очертания осевой линии свободнопадающего потока по (2.24) практически совпадают с траекторией свободного падения, что можно считать тестом для предлагаемой методики расчёта осевой линии потока. Очертания нижней поверхности свободнопадающей струи по Базену полностью совпадают с траекторией падения свободно падающего тела; очертания по “Рекомендациям…” [100] совпадают с очертаниями струи по Кригеру, но оба эти очертания значительно положе очертаний по Базе-ну и траектории свободнопадающего материального тела без учёта сопротивле ния среды. Приведенное сопоставление экспериментально полученной Базеном траектории струи и результатов расчёта по выражению (2.24) позволяет сделать вывод о правомерности его использования для дальнейшего более глубокого анализа движения струй и при давлении в подструйном пространстве, отличном от атмосферного давления.
Очертание профиля сливной поверхности водоприёмной воронки Водоприёмная воронка является специфическим водосливом практического профиля.
При построении профиля сливной поверхности и гидравлических расчётах водоприёмную воронку разделяют на два участка. Верхняя часть, работающая аналогично оголовку водослива практического профиля, рассматривается на участке от гребня воронки до сечения смыкания верхней поверхности струи, переливающейся по периметру воронки. Нижерасположенный участок водоприёмной воронки, работающий полным поперечным сечением, принято называть переходным. Его размеры зависят от конструкции ствола шахты и определяются сочетанием гидрологических характеристик водотока, техническими решениями конструкций отводящего водовода и напором гидроузла. В ряде случаев, при большом диаметре воронки и относительно небольшом напоре гидроузла, переходной участок может отсутствовать и его можно включить в конструкцию ствола шахты, как это рекомендуется в [137, 168], или делать без переходного участка с постоянным сечением ствола шахты [28, 29, 91]. Следует отметить, что некоторые исследователи не выделяли специально переходной участок и при расчёте координат профиля воронки учитывали всю её высоту [109, 110, 111, 119, 184].
Следует подчеркнуть приведенное выше замечание о недостатках существующей методики расчёта шахтных водосбросов. В приведенном обзоре исследований работы, под “водоприёмной воронкой” подразумевается верхний участок ствола шахты, в пределах которого возникает режим самоподтопления шахты по мере роста напора на его гребне. При этом кольцевое поперечное сечение струи водоприёмной воронки смыкается и становится сплошным ниже сечения смыкания вследствие увеличения расхода. В реальных условиях работы шахтного водосброса на положение сечения смыкания верхней поверхности струи существенно влияет режим движения воды в стволе шахты, его размеры и величина давления на оголовке. В равной степени это положение применимо к режиму работы шахтного водосброса с напорами меньше расчётного, при которых вообще отсутствует смыкание верхней поверхности струи.
Учитывая изложенное, по нашему мнению, под “водоприёмной воронкой” следует понимать верхнюю часть ствола шахты, формирующую кольцевую струю и работающую по схеме неподтопленного водослива. Соответственно, этой трактовке понятия “водоприёмной воронки” за расчётный напор следует принять максимальный напор, при котором не происходит подтопления оголовка водоприёмной воронки со стороны ствола шахты или самоподтопления. Такое понимание тем более правомерно, что эллиптическое очертание водоприёмной воронки по П.П. Мойсу [86, 88] простирается до сечения занапоривания ствола шахты.
В настоящей работе принята трактовка понятия водоприёмной воронки как верхнего участка ствола шахты, работающего в режиме неподтопленного водослива.
Проектирование и исследование сливной поверхности водоприёмных воронок шахтных водосбросов прошло тот же путь, что и оголовков водосливов практического профиля. Стремление учёных и проектировщиков придать внутренней сливной поверхности оголовка воронки безвакуумный профиль определило два направления расчётов.
Направление теоретическое. Одним из первых было решение А.Н. Ахутина [6] по теоретическому расчёту положения оси струи, переливающейся через кольцевой водослив с острой кромкой. А.Н. Ахутин предложил рассматривать ось струи как траекторию свободного падения материального тела с начальной скоростью V0, равной горизонтальной составляющей средней скорости потока на гребне водоприёмной воронки шахты: 8 У
Как отмечалось раньше, большой практический интерес представляет очертание нижней поверхности струи, особенно при проектировании шахтных водосбросов. В отличие от плоской свободнопадающей струи, имеющей постоянную ширину, в шахтном водосбросе ширина струи уменьшается по мере удаления сечения от гребня водоприёмной воронки, а её толщина h по нормали к оси растёт по сравнению с плоской свободнопадающей струёй и на расстоянии у от гребня воронки может быть определена по зависимости:
В своих расчётах А.Н. Ахутин предположил в нормальном сечении струи постоянство скоростей, так что для получения сливной поверхности воронки следует отложить по нормали к касательной оси вниз отрезок, равный половине толщины струи /г/2 в ряде сечений, и отрезки соединить. В самом этом способе построения сливной поверхности заложена техническая неточность, поскольку определение положения нормали графическим способом вещь достаточно трудоёмкая и достаточно неопределённая.
Приведенный выше анализ движения свободнопадающей струи позволяет получить простой способ построения сливной поверхности водоприёмной воронки. Подставив в (2.30) выражение скорости U из (2.31) с учётом (2.29) получаем:
Режим с заполненным стволом шахтного водосброса
При заданной величине расхода Q из (2.81) можем записать Z=F(/J 2), откуда по (2.85) получаем dz = 2-djl. Для шахтного водосброса гидроузла с высотой плотины, например, 50 м, высота z в зависимости (2.81) может достигать 35… 40м. В этом случае, при ошибке в определении коэффициента //, например, даже в 5%, получается увеличение z на 10%, что в абсолютном выражении составляет 3,5… 4 м. При величине запаса отметки гребня плотины 0.50 м над максимальным уровнем, понятно, что такая ошибка в определении требуемого расчётного напора будет иметь катастрофические последствия для гидроузла.
Гидравлические расчёты сопрягающего колена шахтного водосброса Одним из важнейших конструктивных элементов шахтного водосброса является сопрягающее колено. Сопрягающие колена повсеместно используются как в системах вентиляции, так и в трубопроводах, предназначенных для подачи жидкостей и газов. Специфика систем вентиляции состоит в том, что технологически сложно и по условиям компоновки сложно применять плавноизогнутые колена, в связи с чем, в этой отрасли использован термин "колено" для резкого изгиба трубопровода. Для плавного сопряжения используются термины "плавное закругление" [95], "плавный поворот" [138], "отвод" [59, 60] и "колено" [95]. Поскольку конструкции колен без закругления с "резким поворотом" использу ются, в основном, в системах вентиляции, в гидравлике под термином "колено" понимается плавное сопряжение участков трубопроводов, которое использовано в дальнейшем в настоящей работе.
От правильности назначения в сопрягающем колене величины гидравлических сопротивлений при его работе в напорном режиме, в значительной степени зависит точность расчётов пропускной способности и размеров шахтного водосброса, как это видно из зависимостей (2.65) и (2.81).
Литературных источников, посвящённых изучению работы сопрягающих колен шахтных водосбросов, нам не удалось обнаружить. Вместе с тем, коленные соединения участков трубопроводов являются одним из наиболее применяемых конструктивных элементов в системах водоснабжения, нефте- и газопроводах, в системах вентиляции, в связи с чем, имеются многочисленные достаточно детальные исследования гидравлических сопротивлений сопрягающих колен напорных трубопроводов. Ниже приведены наиболее часто используемые расчётные зависимости для определения коэффициентов сопротивления колен, а также выборки графических и табличных данных.
Как и работа в целом шахтного водосброса, работа сопрягающего колена имеет напорный и безнапорный гидравлические режимы. В зависимости от конструктивного исполнения шахтного водосброса, сопрягающее колено может быть выполнено круглого и прямоугольного поперечного сечения
Для наглядности на рис. 2.27 показано сопоставление приведенных расчётных зависимостей в виде графиков для колена круглого поперечного сечения с углом поворота 90о и напорным режимом работы
Сопоставление коэффициентов сопротивления колена круглого поперечного Анализ данных приведенных расчётных зависимостей и рис. 2.27 позволяет сделать некоторые принципиальные выводы. Потери энергии в сопрягающих коленах состоят из двух видов: потерь на вихреобразование в зонах отрыва потока от твёрдых границ и потерь на преодоление трения по длине на участке от входного до выходного сечения колена. Очевидно, что максимальное сопротивление имеет колено без закругления, т.е. "резкий поворот". При этом участок трубопровода, который входит в понятие "поворот", должен включать, как минимум, зону стабилизации эпюры скоростей, в которой практически невозможно разделить потери на "местные" и "по длине". При сопряжении участков труб плавным поворотом условия обтекания выпуклого участка колена улучшаются, что ведёт к уменьшению зоны отрыва потока от стенки колена и уменьшению интенсивности вихреобразования в зоне отрыва. При увеличении радиуса поворота колена наступает момент, когда зоны отрыва потока исчезают, а вместе с ними исчезают потери на вихреобразование. Гидравлические потери в сопрягающем колене приближаются к сопротивлениям по длине. Поскольку длина колена по оси зависит от радиуса кривизны колена, то с его ростом должно расти и сопротивление колена по длине. Таким образом, расчетные зависимости должны иметь точку с минимальным значением коэффициента сопротивления.
Исходя из этих представлений о характере изменения коэффициента, физически правильными можно признать зависимость (2.90) Е.И. Идельчика и данные о коэффициентах сопротивления колена Кригера и Хванга [95, 177]. На рис. 2.27 нанесена также зависимость коэффициента потерь по длине колена с углом поворота 90о, подсчитанного по (2.95).
Коэффициенты сопротивления по длине подсчитаны для бетонной трубы диаметром d=5.5м с высотой выступов эквивалентной шероховатости Аэкв = Змм, для которой 1 = 0.0168. Графики по зависимостям А.Д. Альтшуля построены также для значения Я = 0.0168.
Как видно по рис. 2.27, приведенные зависимости Вейсбаха и А.Д. Альтшуля достигают стабилизации коэффициента сопротивления колена в диапазоне значений R0/d=4...6. При этой относительной кривизне расчётные значения коэффициентов сопротивления колена становятся равными потерям по длине. При дальнейшем уменьшении кривизны колена его коэффициент сопротивления должен нарастать прямо пропорционально увеличению радиуса кривизны, в то время как расчётные зависимости Вейсбаха и А.Д. Альтшуля дают конечные величины, равные свободным членам их выражений. При этом обращает на себя внимание большой диапазон разброса значений коэффициента сопротивления колена. При Rgjd-Ъ значения коэффициента сопротивления располагаются в диапазоне от 0.08 до 0.16. В то же время рекомендуемые в [139] значения коэффициента сопротивления сопрягающего колена шахтного водосброса более чем в 3 раза превосходят расчётные значения.
Обращает на себя внимание резкий диссонанс значений коэффициента расхода по данным Кригера. Приводя их в [95], Н.Н. Павловский отмечал недостаточную надёжность этих данных ввиду того, что они получены на основании исследований колен труб очень малого диаметра, что не позволило получить в исследованиях достаточную точность.
Напорный режим работы сопрягающего колена прямоугольного поперечного сечения При выполнении отводящего водовода шахтного водосброса в крепкой скале или в виде железобетонной трубы, ему придают прямоугольное поперечное сечение, в связи с чем появляется необходимость в определении коэффициента сопротивления сопрягающего колена прямоугольного поперечного сечения. Такие сопрягающие колена повсеместно используются в системах вентиляции.
Исследованиям сопротивления колен прямоугольного поперечного сечения, работающих в напорном режиме, посвящено значительно меньше научных работ. Наиболее подробно этот вопрос исследован И.Е. Идельчиком [62]. Для определения величины коэффициента гидравлических сопротивлений колен прямоугольного поперечного сечения имеются следующие расчётные зависимости.
Анализ результатов экспериментальных исследований пропускной способности шахтного водосброса полигонального поперечного сечения с неподтопленным режимом работы водоприёмной воронки
Фото рис. 4.9 дают также представление о характере поведения жгута воздушной воронки в сопрягающем колене при работе шахтного водосброса полигонального поперечного сечения со свободным входом на водоприёмную воронку. По сравнению с вариантом водоприёмной воронки, снабжённой бычком, при свободном входе воздушный жгут более мощный, вследствие чего он проникает в сопрягающее колено на большую длину, практически, до его выходного сечения. Под действием центробежных сил, развивающихся в сопрягающем колене, происходит обжатие воздушного жгута и его утоньшение в вариантах водосброса с высотой выходного сечения а=5.0 и 5.5 м. В варианте без стеснения выходного сечения ствола шахты происходит разрушение воздушного жгута с образованием воздушного мешка на входе в сопрягающее колено, как это видно на фото рис. 4.9, в). Во всех трёх вариантах поток отрывает хвостовые участки жгута и уносит в отводящий туннель. Как было отмечено выше, приведенные фото выполнены с достаточно большим временем экспонирования, поэтому очертания потока на фото имеют размытый вид.
При напорном режиме истечения из конфузора вдоль боковых стенок колена образовывались гребни переменной высоты и толщины, как это можно увидеть на фото рис. 4.8 и 4.10. Максимальная высота их достигала 15%толщины струи при ширине до 7% от ширины колена. Аналогичные гребни были обнаружены на стенках про на носке- трамплине Богучанской ГЭС [41. 50, 187].
На рис. 4.10 приведены фото потока в отводящем туннеле отводящего туннеля при напоре на гребне водоприёмной воронки Н=2.55м с высотой выходного сечения конфузора а=5.0 м. Как видно по фото рис. 4.10 а) и б) одного и того же начального участка, а на фото рис. 4.10 в) и г) показан участок, на котором происходит деаэрация потока в туннеле. Фото рис 4.10, а) выполнено со временем экспозиции 1/40 секунды. Даже по такой относительно краткой выдержке поток воспринимается вспененной воздухонасыщенной массой со смазанными нечёткими границами. Это впечатление тем более усиливается при непосредственном визуальном восприятии потока, которое в гидротехнике описывается термином "белая вода", поскольку глаз человека способен фиксировать фрагменты движения, с минимальной продолжительностью 1:10 секунды. Действительное состояние потока можно оценить только при использовании высокоскоростной съёмки, которой соответствует съёмка со вспышкой.
На фото рис. 4.10 б), тот же участок сфотографирован со вспышкой. Современные лампы для фотовспышек формируют световой импульс продолжительностью порядка 1:2000 сек, а время горения с интенсивностью 0.5 от максимальной освещённости составляет 1/3 времени горения лампы, т.е. 1/6000 долю секунды. За это время пузырёк воздуха успевает пройти путь, равный 4000:6000=0.67мм, что составляет порядка 0.1d его диаметра, что соответствует фиксации истинного состояния потока. На этом фото поток представляет собой двухслойное тело, верхний слой которого сформирован из водо-воздушной смеси, а нижний слой представляет собой стекловидное тело с включением воздушных пузырьков. Перемещение этих пузырьков при длительном времени экспонирования и создаёт картину размытых слоистых включений внутри потока, которые видны на фото рис. 4.9 и других снимках. На фото рис. 4.10 в) и г) показаны средний и концевой участки отводящего туннеля, длина которого на модели составляла 4.5м. При скорости потока в нём около 4м/с на модели, объёмы воды, попавшие в начало туннеля, выходили из него, примерно, через 1.2 секунды. За это время пузырьки воздуха, оторванные потоком от воздушных шнуров, не успевали полностью всплыть на поверхность потока, хотя его глубина на модели не превосходила 7.5 см. Это свидетельствовало о небольших размерах пузырьков воздуха.
По этим фото видно, тело потока представляет и в этом случае стекловидное тела кавернообразное тело, которое не соответствует понятию "аэрированного потока" как водной массы, пронизанной пузырьками воздуха [121]. При такой структуре водного потока процесс формирования спутного воздушного потока отличается от принятого [121]. Как видно по рис. 4.10, б) и рис. 4.12 и 4.13, раздробленная поверхность потока имеет "карманы" значительных размеров, которые перемещают массы воздуха подобно полостям роторного объёмного насоса в дополнение к массам воздуха, вовлекаемым в движение за счёт вязкого трения воздуха о воду. Степень дробления водного потока зависит от конструкции сопрягающего устройства, и при одних и тех же граничных условиях расход воздуха будет различным. Процессы захвата и переноса воздуха потоками гидротехнических сооружений не поддаются физическому моделированию. Поэтому приведенные в настоящем разделе результаты изучения процесса захвата воздуха и его переноса даёт лишь качественную картину возможного развития соответствующих процессов, которые будут происходить в натуре. При прогнозировании картины работы шахтного водосброса в режимах с захватом воздуха следует учесть тот факт, что в натурных условиях в полной мере будет сказываться сжимаемость воздуха. На модели в нижней части ствола шахтного водосброса в процессе исследований избыточное давление не превышало 0.5 м. вод. столба, чему соответствовало уменьшение объёма пузырьков всего на 5%. В натурных условиях этому давлению на модели соответствует давление в 30 м. вод. ст. и более. При масштабе моделирования 1:60 натуральной величины согласно закону Бойля-Мариотта, при изотермическом процессе сжатия объём захваченных на поверхности пузырьков уменьшится на концевом участке ствола шахты в 4 раза, что создаст благоприятные условия для выноса в отводящий туннель повышенного количества воздуха. При выносе этого воздуха в отводящий водовод, где давление снова становится атмосферным, он принимает свой первоначальный объём. Увеличение объёма воздуха имеет двоякое влияние. С одной стороны, происходит вспенивание воды и увеличение глубины потока, что при недостаточном запасе пространства над свободной поверхностью может привести к "захлёбыванию" поперечного сечения отводящего водовода.
