Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса проектирования оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин на нескальном основании и задачи исследования 10
1.1. Выбор удельного расхода водосливного фронта плотин на нескальном основании 10
1.2. Краткие сведения к вопросу гидравлических расчетов нижних бьефов гидроузлов 16
1.3. Общие сведения о методах расчета местного размыва за креплением русла в нижнем бьефе водосливных плотин 20
1.4. Общие сведения о методах расчета общего размыва и понижения уровня воды в нижних бьефах гидроузлов 27
1.5. Основные задачи исследования 32
2. Разработка методики и алгоритма расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта и удельных экономичных расходов низконапорных водосливных плотин на нескальном основании 34
2.1. Расчетная модель методики расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин на нескальном основании .' 34
2.2. Гидравлический расчет водосливной плотины 43
2.3. Расчет сопряжения бьефов за водосливной плотиной 48
2.4. Гидравлический расчет водобойной плиты при отсутствии на ней гасителей энергии 50
2.5. Гидравлический расчет водобойного колодца 53
2.6. Гидравлический расчет водобойных стенок 56
2.7. Гидравлический расчет рисбермы, выполненной из бетонных плит... 61
2.8. Гидравлический расчет рисбермы, выполненной из камня 64
2.9. Расчет стен-устоев, ограничивающих водосливной фронт плотины... 66
2.10. Расчет глубины ямы размыва за рисбермой 72
2.11. Расчет концевого крепления за рисбермой 74
2.12. Расчет объемов бетонных и земляных работ по сооружениям водосливного фронта 76
2.13. Расчет стоимости плотины и сооружений водосливного фронта 81
2.14. Методика и алгоритм расчета общего размыва русла и понижения уровня воды в нижнем бьефе водосливных плотин 85
2.15. Выводы 92
3. Реализация программного комплекса для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин 93
3.1. Характеристика и описание среды моделирования 93
3. 2. Описание внутреннего устройства комплекса 97
3. 3. Выводы 106
4. Использование разработанного программного комплекса для выработки рекомендаций по проектированию оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин 108
4.1. План проведения и реализация эксперимента 110
4.2. Анализ результатов численных экспериментов 112
4.2.1. Влияние состава сооружений, входящих в водосливной фронт плотины, на значение удельного экономичного расхода 112
4.2.2. Влияние гидравлических, геометрических и геологических факторов на значение удельного экономичного расхода плотины 114
4.2.2.1. Влияние расчетного расхода плотины на значение удельного экономичного расхода 114
4.2.2.2. Влияние геометрического напора и глубины воды в нижнем бьефе плотины на значение удельного экономичного расхода 118
4.2.2.3. Влияние вида грунта основания плотины и коэффициентов откосов земляной плотины на значение удельного экономичного расхода 120
4.2.3. Обобщенные графики зависимости удельных экономичных расходов плотины от различных факторов 124
4.3. Сравнение результатов исследований с параметрами реально построенных водосливных плотин 127
4.4. Зависимость глубины общего размыва от удельных экономичных расходов 130
4.5. Выводы 134
Заключение 135
Литература
- Краткие сведения к вопросу гидравлических расчетов нижних бьефов гидроузлов
- Гидравлический расчет водосливной плотины
- Описание внутреннего устройства комплекса
- Влияние состава сооружений, входящих в водосливной фронт плотины, на значение удельного экономичного расхода
Введение к работе
Одним из основных вопросов, решаемых в процессе проектирования сооружений, входящих в состав гидроузлов энергетического, мелиоративного и воднотранспортного назначения, является проектирование экономичного профиля водосливного фронта плотины. При этом необходимо определить удельные расходы воды дмУ подлежащие пропуску через водосливную плотину, которые соответствуют минимальной суммарной стоимости сооружений, входящих в состав водосливного фронта (флютбета). Вопрос определения удельных экономичных расходов и проектирования оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин, с учетом всех сопутствующих сооружений флютбета, в настоящее время слабо изучен, о чем свидетельствует практическое отсутствие соответствующих методик и рекомендаций по их определению. Из-за отсутствия в нормативных документах способа определения удельных экономичных расходов, в проектной практике используется упрощенный метод вариантного проектирования, который основывается на учете зависимости между удельными расходами воды q и стоимостью сооружений водосливного фронта. Удельные расходы, соответствующие минимуму функции СТ =J{q), называют удельными экономичными расходами дзк. Этот метод не учитывает многих сооружений водосливного фронта плотин на нескальном основании, что ведет к занижению суммарной стоимости объекта, а также не учитывает изменения уровенного режима вследствие общего размыва дна и берегов реки за креплением в нижнем бьефе. Из-за трудоемкости и приближенности данного метода во многих случаях расчетную величину qw на предварительной стадии проектирования назначают без экономических расчетов, на основании практики строительства таких плотин на нескальном основании.
Учитывая вышеизложенное, представленные в данной работе исследования, направленные на создание более совершенной методики расчета оптимальных параметров основных сооружений водосливного фронта низконапор-
6 ных водосливных плотин на нескальном основании с учетом процессов размыва русла реки и понижения уровня воды в нижнем бьефе, и разработку программного комплекса реализующего созданную методику расчета, являются весьма актуальными.
Цель работы н задачи работы. Целью работы является: разработка усовершенствованной методики расчета оптимальных параметров основных сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин на нескальном основании, с учетом процессов размыва русла реки и понижения уровня воды нижнем бьефе; разработка программного комплекса, реализующего созданную методику расчета, для проведения научных исследований и реального проектирования с целью сокращения трудоемкости и времени проектирования водосливных плотин и сооружений нижнего бьефа.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
Разработка более совершенной методики и алгоритма расчета по определению оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин на нескальном основании посредством расчета соответствующих удельных экономичных расходов плотин.
Разработка методики и алгоритма расчета общего размыва русла реки и понижения уровня воды за сооружениями в нижнем бьефе с учетом характеристик потока в конце рисбермы.
Разработка программного комплекса для расчета оптимальных параметров основных сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин на нескалыюм основании с учетом процессов размыва русла реки и понижения уровня воды в нижнем бьефе.
Проведение численных экспериментов на ЭВМ по выявлению степени и характера влияния различных гидравлических, геологических и геометрических факторов на величины удельных экономичных расходов.
Установление графических зависимостей и аналитических выражений для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин в зависимости от указанных выше факторов.
Проведение численных экспериментов на ЭВМ по исследованию деформаций русел рек за сооружениями нижнего бьефа соответствующих удельным экономичным расходам с учетом гранулометрического состава русловых отложений.
Научная новизна. Разработана усовершенствованная методика расчета оптимальных параметров сооружений флютбета низконапорных водосливных плотин посредством расчета соответствующих удельных экономичных расходов плотин, которая учитывает все основные сооружения, входящие в водосливной фронт водоподпорных сооружений на нескальном основании, и процессы размыва в нижнем бьефе. Создан программный комплекс, реализующий вычислительный алгоритм разработанной методики. Установлен ряд доминирующих факторов, от которых зависит величина удельного экономичного расхода. Получены новые графические зависимости и аналитические выражения для удельных экономичных расходов в зависимости от различных гидравлических, геологических и геометрических факторов.
Практическая ценность.
1. Разработанный программный комплекс для расчетов оптимальных па раметров сооружений водосливного фронта плотин позволяет проектировщи кам на предвариантной стадии проектирования определять основные парамет ры сооружений, входящих в водосливной фронт плотин, и объемы финансиро вания строительства этих сооружений, а также прогнозировать возможные из менения уровенного режима вследствие общего размыва дна реки, которые не обходимо учитывать при выборе параметров и конструкций крепления нижнего бьефа, при расчетах устойчивости сооружений, фильтрации под сооружениями и в обход их, сопряжения бьефов и т.д.
2. Полученные графические зависимости и аналитические выражения удельных экономичных расходов в зависимости от различных гидравлических, геологических и геометрических параметров позволяют проектировщикам на предвариантной стадии проектирования на основании имеющихся исходных данных без предварительных расчетов однозначно назначать удельные расходы водосливных плотин.
Основные положения, выносимые на защиту:
Современная усовершенствованная методика расчета удельных экономичных расходов низконапорных водосливных плотин и соответствующих им оптимальных параметров сооружений флютбета, учитывающая все сооружения водосливного фронта водоподпорных водосливных сооружений на нескальном основании и процессы размыва в нижнем бьефе.
Вычислительный алгоритм расчета наиболее экономичных удельных расходов и соответствующих им оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин на нескальных основаниях с учетом процессов размыва в нижнем бьефе.
Программный комплекс, реализующий разработанный вычислительный алгоритм.
Графические зависимости и математические выражения для определения удельных экономичных расходов низконапорных водосливных плотин на нескалыгом основании в зависимости от различных гидравлических и геометрических факторов.
Графические зависимости и математические выражения для опр
Реализация работы. Исследования проводились в соответствии с НИР Дагестанского государственного технического университета по теме «Моделирование гидравлических процессов в речных руслах и сооружениях в среде программирования Fortran Power Station с использованием ГИС-технологий». Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс. Разработано учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию «Гидравлический расчет на ЭВМ гидротехнических сооружений» по дисциплине «Гидравлика сооружений» для студентов специальностей 270104 - «Гидротехническое строительство» и 280401 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», а также инженеров - проектировщиков гидротехнических сооружений.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: на научно-технической конференции «Водохозяйственное строительство и экологические проблемы» - Тбилиси: ГРУЗНИИВИЭ, 1991. научно-практической конференции «Современное состояние и пути развития мелиорации и орошаемого земледелия в Дагестане». - Махачкала, 1997 г. международной конференции «Эррозионно-селевые явления и некоторые смежные проблемы». - Тбилиси: ГРУЗГИДРОЭКОЛОГИЯ, 2001. международной конференции «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК - Москва: ЗАО фирма «Сибико Интернешнл», 2004 г. - на ежегодных научно-практических конференциях преподавателей, со трудников и аспирантов ДГТУ (2002 - 2005 гг.).
Достоверность результатов. Разработанная методика и программный комплекс апробировались на реально построенных объектах, в частности, водосливных плотинах Волгоградского и Цимлянского гидроузлов. Полученные в результате численного эксперимента на ЭВМ расчетные геометрические параметры водосливных плотин и сооружений нижнего бьефа в целом оказались близки к параметрам сооружений водосливного фронта реальных плотин Волгоградского и Цимлянского гидроузлов.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 5 статей.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 145 листах машинописного текста, содержит 26 рисунка и 4 таблицы и 3 приложения.
Краткие сведения к вопросу гидравлических расчетов нижних бьефов гидроузлов
Главным назначением устройств нижнего бьефа является обеспечение защиты сооружений гидроузла и примыкающих к нему берегов от опасного подмыва их, создание благоприятных условий работы сооружений гидроузла.
При проектировании устройств нижнего бьефа решается целый ряд взаимосвязанных задач, основные из которых: расчет параметров гидравлического режима сопряжения бьефов; расчетное обоснование размеров устройств нижнего бьефа; прогноз местных и общих переформирований речного дна ниже сооружения [75].
Крепление в нижнем бьефе по своим функциям и конструктивным особенностям принято делить на водобой, рисберму и переходное крепление от рисбермы к неукрепленному руслу.
Концевые устройства водосбросов позволяют создавать в нижнем бьефе различные режимы течения, основными из которых являются: а) донный; б) поверхностный; в) смешанный. Каждый из этих режимов имеет свои достоинства и недостатки. При проектировании гидроузлов на нескальных основаниях предпочтение отдают донному режиму сопряжения бьефов. При этом местоположение гидравлического прыжка может быть различное. Потери энергии в нем достигают до 70% общей энергии втекающего потока [34]. Для уменьшения длины крепления желательно иметь предельное положение прыжка или затопленный прыжок.
Проблеме расчета сопряжения бьефов и гашению энергии потока посвящено множество работ. В это направление исследований большой вклад внесли такие ученные, как Т.Г. Войнич-Сножецкий, В.А. Базилевич, Н.Н. Беляшев-ский, Д.И. Кумин, С.Н. Нумеров, Н.Н. Павловсий, Н.А. Преображенский, А.Н. Рахманов, М.Д. Чертоусов, Н.П. Розанов, С.Н. Слисский, М.А. Михалев, Ф.Г. Гунько, С.К. Кузнецов, С.А. Кузьмин и многие другие.
Сложность гидравлических процессов, протекающих в прыжке, многообразие форм, неустойчивый характер явления создают значительные трудности в его изучении, что обусловило возникновение различных направлений и взгля-дов на природу прыжка [ 34, 1, 59]. Согласно первому направлению [1] природу возникновения прыжка в классической гидравлике принято объяснять, исходя из анализа уравнения неравномерного движения жидкости.
Представители другого направления рассматривают прыжок как остановившуюся волну перемещения. Третье направление в изучении этого явления рассматривается как пристенная струя [59].
Геометрические характеристики прыжка обуславливают длину крепления, толщину плит водобоя и рисбермы, конструкцию и размеры гасителей энергии и т. д. Зависимости высотных характеристик гидравлического прыжка служат для определения высотных размеров водосбросных сооружений: основания, водобоя, рисбермы, поперечных сечений отводящего русла, необходимых для создания оптимальных бытовых глубин.
С продольными размерами гидравлического прыжка взаимосвязаны длины водобоя и рисбермы. Однако по определению их размеров не существует единого мнения. Многие из них получены эмпирическим путем. При сопоставлении формул по расчету длины прыжка получается большое расхождение в значениях [34]. В литературе опубликовано около четырех десятков этих формул. Ниже приводятся наиболее известные зависимости для расчета длины прыжка. 1. Формула Сметаны-Кумина [34]:
Расчет водобойных плит сводится к определению их толщины из условия недопущения всплывания в увязке со схемой разрезки плиты водобоя швами и действием всех сил. Кроме того, определяют устойчивость плит на опрокиды-вание и сдвиг. Силовое воздействие рассчитывают по соответствующим рекомендациям [20, 71, 86]. Техника выполнения расчетов водобойных плит подробно рассмотрена в специальной литературе [82].
Если глубина нижнего бьефа h2 недостаточна для затопления прыжка, ее увеличивают устройством водобойного колодца, водобойной стенки, устанавливают на водобое различные гасители энергии (специальные) или комбинацию указанных средств. На сегодняшний день для расчета водобойных сооружений предлагаются различные методы и зависимости (аналитические и графические) [19, 70, 67, 68, 91, 93, 99, 103, 81]. ,
Современная теория сопряжения бьефов, помимо затопляющего действия гасителя, учитывает также его реактивное действие, которое усиливается по мере приближения гасителя к сжатому сечению [70; 81].
Для сооружений I и II классов капитальности окончательное решение о типе и размерах крепления нижнего бьефа принимается на основании лабораторных исследований и экономического расчета.
Гидравлический расчет водосливной плотины
Водосливная плотина является элементом подпорного фронта гидротехнического сооружения и предназначается для пропуска сбросных расходов через водосливы.
Как указывалось выше, в разработанной методике, водосливная плотина принята практического профиля. Водосливы со стенкой практического профиля являются одними из наиболее распространенных. Водосливная поверхность такого водослива близка к очертанию нижней поверхности струи, переливающейся при расчетном напоре через водослив.
При условии размещения на гребне плотины затворов, ширина гребня водослива принята равной 2,5Н(Н- геометрический напор на водосливе) (рис. 2.3).
При проектировании много пролетной плотины, для обеспечения установки затворов, устройства переездов и т. п. на водосливном оголовке размещают раздельные стенки (быки), продлевая их иногда на низовую грань для выравнивания удельных расходов на сходе с плотины. Расстояние между быками и их длина назначаются в зависимости от принятой ширины водосливных пролетов (отверстий), профиля поперечного сечения и т. д. В расчетах ширина водосливного пролета (отверстия) Ъпр принята равной 2,5Я. Толщину быков ta по
рекомендации Березинсого А.Р., определяют в зависимости от ширины пролета [93 ]: ,« (0,2 0,25) V
Ширину плотины по основанию принимают в зависимости от высоты плотины и грунта основания плотны: галечниковые и гравелистые (1,25-1,75)/ супесчаные и песчаные (1,75-2,0)/ ,; глинистые (2,25-2,5) Рп,.
Гидравлический расчет водосливной плотины выполняется с учетом уровней верхнего {ФПУ) и нижнего (УНБ) бьефов, планового сжатия потока на входе, поперечного профиля водосливной стенки, очертания гребня в плане, поло г жения и конструкций раздельных стен, их открытия затворов и т. д.
В результате расчета определяется, ширина водосливного фронта В, напор на водосливе Я, высота плотины / „, и отметка гребня водослива.
Для расчета водосливов практического профиля используется формула: Qp=ananB Hl \ (2.2.1) где В - ширина водосливного фронта, м; а„— коэффициент подтопления водослива, учитывающий уменьшение расхода Q при подтоплении водослива со стороны нижнего бьефа; т- коэффициент расхода водослива; є— коэффициент сжатия водослива; HQ— полный напор на водосливе: H H + avlKlg) (2.2.2) иа- скорость подхода воды к плотине, м2/с.
Величина ап устанавливается на основании экспериментальных данных, представленных в виде кривых зависимости ст от h„ ІЯ0, где h„— высота подтопления, т. е. превышение горизонта воды нижнего бьефа над гребнем водосли h ва. Водослив считается подтопленным, если выполняются условия hn 0 и —— 0,75 + 0,88 [19]. Если водослив не подтоплен, стп= I. Коэффициент бокового сжатия вычисляется по формулам: а) для одно пролетного водослива: = 1-0,2 4 (2-2-3) о б) для мно го пролетного водослива при одинаковой ширине водосливных отверстий: -iV A (2.2.4) п о где п- число отдельных водосливных отверстий (одинакового размера); значения коэффициентов %уи йзависят от формы скруглення вертикальных ребер устоев и быков в плане [92].
Алгоритм гидравлического расчета водосливной плотины следующий: А. Расчет однопролетной плотины, 1. По известным значениям расчетного расхода Qpu заданного удель ного расхода q плотины определяется ширина водосливного фронта: B = Q„lq 2. Определяется полный напор на водосливе из формулы (2.2.1), при этом принимается сг = 1 (водослив не подтоплен) и є = 0,9: 3. Определяется геометрический напор на водосливе: H = Ha-au2Q/(2g). 3. Отметка гребня водослива: УГРЛ, =УФПУ Н. 4. Высота плотины со стороны верхнего бьефа: Рю=ЧГРт-ЧДНА. 5. Проверяется условие подтопления: а) определяется высота подтопления К=УНБ-ЧГРт\ б) если h О и — 0,75...0,88, то определяется коэффициент подтопле пл ния ап в зависимости от соотношения hn/H0, по заданному массиву данных с помощью подпрограммы линейной интерполяции Lint. 6. Определив новое значение ег„, возйращаемся к пункту 2. В. Расчет многопролетной плотины. 1. Задаются начальные значения коэффициентов т и еги. 2. Определяются значения V/?ft,, Ню и hn как в пункте А. 3. Ширина пролета Ь„р= 2,5 Я. 4. Толщина быков t6 0,2 . 5. Число пролетов Nnp = {B + t6)/(bnp + t6). 6. Ширина водосливного фронта плотины-В = # -b . 7. Коэффициент бокового сжатия определяется по формуле (2.2.4). 8. Проверка условия подтопления и определение ам как в п. А. 9. Вычисление расчетного расхода водослива с уточненными коэффициентами є и j„ по формуле (2.2.1). 10. Уточняется значение напора на водосливе Я, при условии пропуска расчетного расхода Qp через водосливные отверстия при расчетных значениях КР и №вр. Расчет ведется методом итераций для нахождения аргумента прямой функции по заданному ее значению, алгоритм которого реализован в подпрограмме Direct_func_iter. 11. Ширина плотины с учетом быков будет равнаВт = Nnp Ъпр + (Nnp -\)6. 12. Уточняется отметка гребня плотины УГРП1 и Нт. 13. Конец расчета. Алгоритм расчета водосливной плотины реализован в подпрограмме Weir.
Описание внутреннего устройства комплекса
При машинной реализации вычислительного алгоритма описанного в предыдущей главе, к разрабатываемому программному комплексу, были предъявлены следующие требования: - высокая скорость работы; - возможность ввода данных в программу; - удобство в управлении программой.
Программный комплекс Fixed_weir разработан в двух вариантах — для научных исследований и реального проектирования и состоит из головной программы с тем же названием и 30 процедур (подпрограмм, модулей и функций) с расширением FPS. О [39, 53, 88]: Fixed_weir - головная программа: программа расчета удельных экономичных расходов водосливных плотин; Ground— подпрограмма расчета характеристик грунта основания плотины; Depth - подпрограмма расчета нормальной глубины воды в нижнем бьефе; Weir - подпрограмма расчета многопролетного водослива практического профиля; Wei_l — подпрограмма расчета много пролетного водослива практического профиля при заданном удельном расходе воды; Reach Connection — подпрограмма расчета сопряжения бьефов за водо-сливной плотиной; Depth_c - подпрограмма расчета глубины потока за плотиной в сжатом сечении; Vdp_I подпрограмма расчета водобойной плиты без специальных гасителей; Vdp_2 - подпрограмма расчета водобойной плиты с реактивными гасителями; Fvd - подпрограмма-функция расчета толщины плиты при наличии на водобое гасителей энергии; Fkr - подпрограмма-функция определения коэффициента размывающей способности потока; Wall - подпрограмма расчета водобойных стенок; // — подпрограмма расчета водобойного колодца; Combine_well — подпрограмма гидравлического расчета комбинированного водобойного колодца; Downstream jxpron - подпрограмма расчета бетонной рисбермы; Apron Jromjitone — подпрограмма расчета рисбермы, выполненной из кам-ія; Scour_pit- подпрограмма расчета глубины ямы размыва за рисбермой; Velocity_l и Velocity_2 - подпрограммы расчета допускаемой неразмы-вающей скорости потока для несвязных и связных грунтов; End strength - подпрограмма расчета концевого крепления; Fds - подпрограмма-функция расчета диаметра камня наброски; Abutment_l— подпрограмма расчета бетонных стен-устоев; Abutment_2 — подпрограмма расчета железобетонных стен-устоев; Abutment_S - подпрограмма расчета ячеистых стен-устоев; Volume_of_work - подпрограмма расчета объемов работ по сооружениям водосливного фронта; Cost - подпрограмма расчета стоимости плотины и сооружений водосливного фронта; Dam - подпрограмма расчета параметров сооружений водосливного фронта и удельных экономичных расходов при заданном массиве удельных расходов плотины; NB_Scour - подпрограмма расчета общего размыва русла и понижения уровня воды в нижнем бьефе гидроузла; Sediment — подпрограмма расчета транспорта руслоформирующих наносов. Вспомогательными подпрограммами являются: Fixed_weirjnp - подпрограмма ввода исходных данных в основную программу Fixedjweir; Fixed_\veir_put - подпрограмма вывода в текстовые файлы результатов расчетов; Fall_velocity - модуль данных о гидравлической крупности наносов; Lint — подпрограмма линейной интерполяции; Direct Jiincjter - подпрограмма использования метода итерации для нахождения аргумента прямой функции по заданному ее значению;
ReversJiincjter - подпрограмма использования метода итераций для нахождения аргумента обратной функции по заданному ее значению;
Costjnin — подпрограмма поиска минимума функции - зависимости стоимости сооружений водосливного фронта от удельного расхода; Weir_data_arrays — модуль объявления данных и динамически размещаемых массивов. Подпрограммы Dam и NBjScour имеют автономное положение в программном комплексе и включаются при задании соответствующих значений признаков счета Lcount и Lscour : 0 — выключено, 1 - включено.
Программа Dam предназначена для научных исследований: расчета ординат графика зависимости СТ = f(q) и изучения влияния на удельный экономичный расход qM_ различных сооружений водосливного фронта, параметров плотины и гидравлических параметров верхнего и нижнего бьефа. Для этого в ней формируется и используется массив удельных расходов воды qu(n) и обеспечивается синхронный вывод в текстовые файлы для каждого удельного расхода основных расчетных параметров всех сооружений водосливного фронта: геометрических, гидравлических и экономических, что позволяет строить и исследовать различные графики зависимости между указанными параметрами. Файлы ввода исходных данных- Weir_data.txt и Scour_inp.txt.
Влияние состава сооружений, входящих в водосливной фронт плотины, на значение удельного экономичного расхода
Как указывалось выше, разработанный программный комплекс имеет модульную структуру, что позволяет исключать из состава водосливного фронта и соответственно расчетов то или иное сооружение, менять его тип, конструкцию и производить расчеты дж для различных вариантов исходных данных. Результаты анализа численных экспериментов оформлены в виде графиков (рис. 4.2) и в табличной форме (таблица 4.1). Так на рисунке 4.2 показаны графики зависимости СТ = f(q) при различном составе сооружений водосливного фронта для следующих исходных данных: Qp = 100 и 1000 м /с, Z = 5 м, Ии = 3 м.
Анализ результатов численных экспериментов показал, что введение в расчеты различного состава сооружений и их конструкций, безусловно, приводит к изменению суммарной стоимости объекта, однако на значение удельных экономичных расходов их влияние не однозначно [ 6; 41].
Влияние стен-устоев на величину qM сказывается в большей мере при Qp 0. Например, для расчетного варианта расхода Qp= 1000 м3/с, Z— 5 м и hH = 3 м при введении в расчеты стен-устоев величина дж уменьшается всего на 20 % . При этом стоимость объекта увеличивается на 22 %. Для расчетного ва-рианта Qp= 100 м /с и аналогичных остальных значениях дзк уменьшается в 3 раза, стоимость объекта соответственно возрастает более чем в 3 раза (табл. 4.1). Замена в расчетной схеме однопролетной плотины на многопролетнуго, приводит к незначительному увеличению удельных экономичных расходов, а введение в расчеты концевого кре1 однопролетная водосливная плотина, водобой, рисберма; 2 — однопролетная водосливная плотина, водобой, бетонная рисберма, бетонные стены-устои; 3 -многопролетная водосливная плотина, водобой, бетонные стены-устои, бетонная рисберма; 4 - много пролетная водосливная плотина, водобой, бетонные стены-устои, каменная рисберма и концевое крепление
По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что на значе-ние удельных экономичных расходов наиболее существенное влияние оказывают только стены-устои.
Численные эксперименты по изучению зависимости (4.1) показали, что из показателей всех четырех групп факторов наибольшее влияние на значение qx оказывают гидравлические показатели (Qp Zn ha) [43]. В меньшей степени сказывается влияние т,, т2 и кт. Остальные параметры зависимости (4.1) влияют в той или иной степени на стоимость водосливного фронта, не изменяя при этом значение q3K. Таким образом, вместо зависимости (4.1) можно записать [42; 38]: Чм -/(?,.2Л,к„,т„т2). (4.2)
По результатам численных экспериментов получены новые графические зависимости q3V =f(Z), для различных сочетаний Qp) Z, hH, к„,, т1 и т2, которые дают наглядную картину влияния вышеперечисленных параметров на qDK, а также характер самих кривых. Рассмотрим подробнее характер влияния каждого из факторов зависимости (4.2) на величину q ,
Влияние расчетного сбросного расхода на значение qM неоднозначно при различных напорах Zm глубинах воды hH в нижнем бьефе плотин. Это наглядно видно на графика рисунков 4.3 и 4.4 и из таблицы 4.2. Это влияние более значительно при Qp 500 м3/с, малых глубинах Аи= 1 3 м и напорах Z — м (рис 4.3). При больших глубинах (Аи= 4, 5 м) влияние расчетного расхода ощущается при Q 500 м /с и при Z 6 м. При Qp— 500 -г- 1000 м/с значения дм совпадают (рис. 4.4). пления практически не влияет на значение q7K. Влияние параметров ZH / „на численное значение qJKтакже неоднозначно. Графики qM = f(Z) показывают, что изменение напора на сооружении приводит к изменению экономичного расхода, но характер изменения qM различен для разных глубин kH. Рассмотрим подробнее поведение графиков на примере расчетного варианта при Qp 1000 м /с и hH = 1 5 м (рис. 4.5).
Из графиков видно, при hH = 1 м и с изменением Z= 1-М О м удельные эко номичные расходы возрастают и находятся в пределах от 2 до 6 м /с.
Для глубины йи= 2 м характер изменения г/,к с изменением напора Z в целом такой же, как и при й„= 1 м, удельные экономичные расходы лежат в пределах от 3,5 до 9,5 м2/с.
При глубине воды в нижнем бьефе hH — 3 и 4 м удельные расходы q3K с изменением Z вначале уменьшаются, а затем плавно возрастают (рис. 4.5). При hH- 5 м удельные расходы с изменением напора на сооружении имеют тенденцию к уменьшению. В целом данные графики с возрастанием напора Z стремятся к некоторому разделу, лежащему в пределах qM = 8 -=- 10 м2/с. В целом характер кривых qx = f(Z) для расходов Qp 500 л- 1000 м3/с одинаков.
Но для 0 = 100 4- 400 м3/с кривые зависимости дж =/(Z) отличаются от графиков при Qp — 500 1000 м /с: для всех глубин hH 1т5м удельные экономичные расходы имеют тенденцию к уменьшению (Приложение 2).
