Введение к работе
Актуальность темы. Проектирование креплений дна за водопропускными сооружениями гидроузлов, возводимых на размываемых основаниях всегда предполагает решение сложной многофакторной задачи, учитывающей особенности эксплуатации гидроузла, характер планового формирования течений в нижнем бьефе, грансостав фунтов основания, концевых устройств и т.п., при обеспечении требуемой надежности работы элементов крепления в составе водопропускного тракта и ограничения процесса переформирования русла.
Важной составной частью процесса проектирования является выбор схем управления течениями в акватории нижнего бьефа, предполагающих введение определенных ограничений или создание необходимых условий сопряжения бьефов в границах крепления дна, включая' очередность пропуска расходов через водосливные отверстия, формирование требуемого режима сопряжения, снижение трансформирующего влияния вторичных течений на процесс сопряжения в границах гидравлического прыжка и отдельно - на послепрыжковом участке.
В настоящее время наименее изученными остаются вопросы управления процессом сопряжения бьефов на послепрыжковом участке, отличающемся низкокинетич-ным (спокойным) характером течения. Для рисберм и концевых устройств, размеры которых могут составлять до 60+75% от всей длины крепления, не существует обоснованных методик определения размеров, особенно с конструктивными элементами для регулирования течениями. Большая протяженность потенциального участка управления и его возможность непосредственно влиять на характер течения и ликвидацию плановой сбойности в границах крепления, позволили нам остановиться на разработке схем, основанных на распределительно-ограничительных воздействиях креплений за счет которых возникает возможность приближения пространственного процесса сопряжения бьефов к плоским условиям, путем регулирования процессом диссипации энергии потока на послепрыжковом участке.
В рамках данной работы вопросы совершенствования способов управления течениями в нижнем бьефе решались на примере водопропускных сооружений в составе защитных гидрокомплексов, возводимых для целей защиты периодически затопляемых территорий и характеризующихся широким диапазоном расчетных схем сопряжения бьефов. Акцент в исследованиях был сделан на разработку эффективных способов управления для спокойных потоков с числами Фруда (Fr2 s 0,56) и спокойных околокритических течений (0,8 г Fr2 > 0,56) с волнистой поверхностью, которые ранее как объект управления в составе крепления не рассматривались.
Целью диссетационной работы является разработка на основе комплексных экспериментальных исследований новых методов управления течениями а нижнем бьефе, основанных на широком использовании в составе креплений рисбермы и концевых устройств с управляемым процессом диссипации энергии, работающих в переходных режимах сопряжения бьефов, характерных для водопропускных сооружений в
составе регулирующих гидроузлов, включая область применения и методику их гидравлического расчета с учетом изменяющейся кинематики потока.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Выбор типов, конструктивных схем и параметров водопропускных сооружений, применяемых в составе противопаводковых защитных комплексов.
-
Оценка состояния вопроса пространственного сопряжения бьефов за водопропускными сооружениями низконапорных гидроузлов.
-
Разработка основных положений теории управления течениями в нижнем бьефе водопропускных сооружений.
-
Постановка проблемы управления течениями на послепрыжковом участке крепления и пути ее решения на примере гладкой рисбермы с уступом дна. Выбор базовой конструкции.
-
Создание кинематической модели сопряжения бьефов на участке крепления с управляемым процессом диссипации энергии (базовая конструкция) и составление уравнения сопряжения бьефов.
-
Систематизация результатов исследований по оценке регулирующих возможностей базовой конструкции рисбермы с направляющими продольными элементами, выполненными для случая околокритического режима (0,56 Fr2 О,80) сопряжения бьефов.
-
Составление классификации конструктивных схем и элементов управления течениями для плотин с напором Н < 25 м.
-
Составление алгоритма расчета основных размеров креплений дна для различных (разносложных) схем управления.
Методы исследований. Сложность и новизна решаемых проблем потребовали проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, выполняемых как на недеформируемых (жестких), так и на размываемых гидравлических моделях водопропускных сооружений. Акцент в экспериментальной части исследований был сделан на изучение работы участка рисбермы и концевого устройства, как на наиболее ответственной части крепления дна, позволяющей наиболее полно учитывать возможности планового управления течениями в условиях работы многопролетных водопропускных сооружений при формировании переходных режимов околокритического характера, дающей возможность в итоге уменьшить или избежать размывы в концевой части крепления. В теоретической части исследований и при выводе расчетных зависимостей использовались методы гидромеханики и волновой теории, экспериментальные данные других авторов.
Научная новизна. В диссертации разработаны, научно обоснованы и подтверждены результатами исследований методы проектирования и расчета элементов крепления дна на послепрыжковом участке, включая элементы конструкции крепления с управляемым процессом диссипации энергии, разработанные автором. При этом: 1. Определены характерные типы конструкций регулирующих водопропускных сооружений в составе защитных комплексов и особенности их эксплуатации.
2. Разработаны основные положения концепции управления течениями в нижнем
бьефе, рассматривающих схемы сопряжения на участке крепления как поэтап
ный многоступенный процесс, возможность их применения в условиях форми
рования форм течений околокритического характера.
Оценена регулирующая способность прямого уступа дна в составе крепления рисбермы на послепрыжковом участке.
-
Впервые получены экспериментальные данные по регулирующим возможностям креплений дна (рисберм, концевых устройств) при наличии продольных направляющих элементов, располагаемых на заглубленной части за уступом дна (базовая конструкция).
-
Для схем крепления с управляемым процессом диссипации энергии выявлены основные составляющие управления по величинам сопротивлений (общих и местных). На основании решения уравнения пространственного сопряжения бьефов определены их величины, дана градация схем крепления по их регулирующим особенностям.
-
Составлена классификация элементов крепления дна, основанная на концепции различных схем управления. В ее состав впервые включены группы креплений, из концевых устройств и рисберм, позволяющие наиболее эффективно управлять потоком создавая лучшие, чем прежде, условия сопряжения бьефов.
-
Впервые предожен принцип оценки расчетного режима сопряжения в нижнем бьефа на послепрыжковом участке, с учетом характера плановой сбойности, сопровождающейся ростом величин удельных расходов (К, > 1).
-
Разработаны методики гидравлического расчета размеров креплений дна в составе 2-х и 3-х ступенных схем управления течениями с учетом их регулирующих возможностей на всех участках крепления, включая рисберму и концевое устройство.
На защиту выносятся:
-
Основные положения разработанной автором теории многоступенных схем управления течениями в нижнем бьефе,
-
Закономерности формирования течений на послепрыжковом участке фвпления в пространственных условиях сопряжения.
-
Результаты экспериментальных исследований схем креплений с управляемым процессом диссипации, включая базовую конструкцию крепления дна с продольными направляющими элементами.
-
Результаты анализа закономерностей преобразования потока вдоль направляющих элементов'в границах базовой конструкции крепления дна на участке с развитым пограничным слоем, в расчетном околокритическом режиме сопряжения бьефов (0,5 і Fr2 $ 0,85).
-
Результаты решения уравнения сопряжения бьефов (базовая конструкция крепления) для участка крепления с управляемым процессом диссипации энергии.
-
Разработанная автором классификация схем фвпления дна с поэтапным уровнем планирования входящих а их состав элементов.
7) Методика расчета креплений дна за водопропускными сооружениями по регулирующей способности, входящих в их состав элементов.
Достоверность полученных результатов. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены на современных испытательных стендах отечественных гидравлических и гидротехнических лабораторий по современным методикам, с использованием протарированных приборов, средств измерений и обработки. Оценка погрешности прямых и косвенных измерений лежащие в пределах 3+6% позволяет сделать заключение о достоверности полученных результатов.
Практическое использование полученных результатов. Работа выполнена в рамках решения Общесоюзной научно-технической программы ГКНТ 055.08 в период 1986-91 гг. и межвузовской научно-технической программы "Строительство" по направлению "Методика проектирования водосбросных сооружений с учетом концентрации расходов при неравномерном сбросе" в 1992-93 гг.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований базовой конструкции крепления дна были использованы:
- АО Ленгидропроект при разработке конструкции концевого устройства в составе водосброса Криволорожской ГЭС на р.Кемь;
совместно с ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева для оценки работы креплений аварийного незакрытия затворов в составе водопропускных сооружений комплекса защиты Ленинграда от наводнений:
АО Ленгидропроект при разработке проекта крепления дна со стороны
Невской губы за водопропускным сооружением В-2,
организацией "Ленморзащита" при сооружении крепления за водопропуск-
ным сооружением наплавного исполнения В-2.
Широкое использование разработанных в диссертации методов проектирования конструкций крепления дна за низконапорными водопропускными сооружениями позволяет повысить надежность работы вновь строящихся и реконструируемых ГУ и ГЭС, что, в свою очередь будет способствовать реализации Основных положений Программы развития гидроэнергетики России в 1997-2015 гт. с перспективой до 2030 года.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Перспективы развития для электрических станций и энергетических систем", Ленинград, 1987, Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", С-Петербург, 1995, на конференции Ассоциации технических университетов России "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПбГТУ, 1997, на межвузовских научно-технических конференциях ЛТИ ЦБП в 1985-90 гг., на лабораторных Советах ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева в 1985-92 гг. и научных семинарах в СПбГТУ в 1983-98 гг.
Публикации. По тема диссертации опубликовано 20 научных работ, перечень основных публикаций приведен в заключительном разделе автореферата.
Отдельные результаты диссертационной работы положены в основу трех изоб-I с гений, защищенных авторскими'свидетельствами.
7 Структура и объем работы. Диссертация состоит иі введения, 8 глав, основных выводов, библиографии, включающей 207 наименований и в приложений. Основ-ков содержание диссертации изложено на 355 страницах, включая 64 рисунка и 11 таблиц; вспомогательные материалы даны на 47 страницах приложений.
