Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание и эксплуатация высокоэффективных водохозяйственных комплексов, систем водоснабжения промышленных предприятий, ТЭС п АЭС, мелиоративных систем и гидроэлектростанций связаны с возведением водосбросных и водопропускных сооружений. Обеспечение надежности их эксплуатации в период пропуска паводковых расходов, а также уменьшение их стоимости за счет снижения материалоемкости является основным направлением в развитии инженерных методов расчета и обоснования конструктивных решений этих сооружений. Важное место в этом плане занимает проблема гашения избыточной кинетической энергии в нижнем бьефе водосбросных сооружений и вопросы сопряжения бьефов в целом, выделившиеся в самостоятельный раздел гидравлики -гидравлики нижнего бьефа. Особую актуальность эта проблема приобретает при проектировании креплений нижнего бьефа многопролетных водосливных плотин, возводимых на нескалыюм основаниях в составе гидроузлов различного хозяйственного назначения.
Как показывает опыт эксплуатации многопролетных плотин в большинстве случаев пропуск паводковых расходов осуществляется при неполном использовании пропускной способности водосливного фронта и неравномерном распределении удельных расходов на гребне водослива. Сопряжение бьефов при этом происходит в пространственных условиях и характеризуется формированием сбойного течения, усилением динамического воздействия потока на элементы крепления нижнего бьефа и интенсивным размывом русла за его пределами.
Крепление нижнего бьефа многопролетных плотин является сложным устройством, общая стоимость которого достигает 20 ... 50 % стоимости всего водосбросного сооружения, причем надежность каждого из элементов крепления обусловливает безопасную работу сооружения в целом. Следует отметить, что от конструктивного решения крепления нижнего бьефа во многом зависят размеры и стоимость водосливной плотины, сопрягающих устоев, а также объем земляной выемки. Кроме того зависят и сроки возведения сооружения. Эти обстоятельства подчеркивают необходимость совершенствования проектных решений и методов расчета крепления нижнего бьефа.
К настоящему времени мы располагаем наиболее пол ой информацией о донном режиме сопряжения бьефов на гладком водобое и рекомендациями по применению простейших гасителей энергии. При этом многие вопросы сопряжения
бьефов в пространственных условиях до сих пор не имеют решения, в связи с чем многочисленные исследования в области гидравлики нижнего бьефа не объединены в единую методику обоснования размеров крепления нижнего бьефа многопролетных плотин с учетом реальных условий пропуска паводковых расходов.
Наряду с многопролетными водосливными плотинами в практике гидротехнического строительства широко распространены водопропускные сооружения в узлах пересечения естественных и искусственных водотоков на трассах водохозяйственных систем. Несмотря на большой опыт строительства и эксплуатации подобных сооружений в настоящее время отсутствуют методы обоснования их конструкции и размеров, обеспечивающих минимальные деформации течения на участках слияния, что приводит к существенным эксплуатационным издержкам за счет значительных размывов дна русла.
Эти обстоятельства определяют актуальность продолжения исследований вопросов пропуска паводковых расходов через многопролетные водосбросные сооружения с различными конструктивными решениями крепления нижнего бьефа и водопропускные сооружения водохозяйственных систем.
Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методологию объективного анализа конструктивных решений и корректное обоснование инвестиций при проектировании водосбросных и водопропускных сооружений речных гидроузлов и водохозяйственных систем.
Задачи исследований включают в себя разработку следующих вопросов
-
Развитие методов гидравлического расчета сопряжения бьефов и проектирования крепления нижнего бьефа многопролетных водосливных плотин средне и ннзконапорных гидроузлов с учетом реальных условий их эксплуатации.
-
Разработка методологии проектного обоснования размеров и конструктивных решений многопролетных водосливных плотин.
-
Разработка методов гидравлического расчета сопряжения бьефов и обоснования размеров бетонного крепления в руслах с большим уклоном дна.
-
Развитие теоретических основ, методов расчета и конструкции водопропускных сооружений в узлах слияния водотоков.
Новые результаты заключаются в следующем:
На основе обширных экспериментальных и теоретических исследований научно обоснованы и проверены принципиально новые подходы к расчетам сложных течений в нижних бьефах многопролетных водосбросных сооружений в реальных
условиях их эксплуатации и проточных трактах водопропускных сооружений водохозяйственных комплексов.
Разработаны теоретические основы гидравлического расчета сопряжения бьефов в пространственных условиях работы многопролетных водосливных плотин средне и низконапорных гидроузлов и методика обоснования размеров элементов крепления нижнего бьефа с различными конструктивными решениями ( с гладким водобоем, водобойной стенкой и водобойным колодцем ).
Разработана концепция и методология проектного обоснования размеров и конструктивных решений многопролетных водосбросных сооружений, обеспечивающая стратегию совершенствования проектных разработок и корректное обоснование инвестиций.
На основе экспериментальных исследований осредненных гидродинамических нагрузок впервые разработана методика расчета сопряжения бьефов и обоснования размеров крепления на участке гидравлического прыжка в руслах с большим уклоном дна, в том числе и в условиях переменного уровня нижнего бьефа.
Предложена принципиально новая концепция оптимизации течения на участках взаимодействия потоков и на этой основе разработана методика расчета и обоснования размеров водопропускных сооружений, проектируемых в узлах слияния водотоков.
Практическая значимость работы. Изложенные в диссертации материалы исследований позволяют объективно с одинаковой степенью надежности рассмотреть различные конструктивные решения водосбросных сооружений водохозяйственных комплексов и на этой основе обеспечить корректное обоснование инвестиций для реализации проектных решений.
Результаты работы были использованы проектным институтом Ленводоканалпроект для разработки мероприятий по ликвидации аварийного состояния крепления нижнего бьефа водосливной плотины Воронежского гидроузла, институтом Совинтервод при разработке водопропускных сооружений на трассе 2-й очереди канала Волга-Дон и канала Иртыш-Курган, а также при создании основного модуля САПР водосбросных сооружений на нескальных основаниях, институтом Ленгидропроект при проектировании сооружений Майнской ГЭС на р.Енисей, при обосновании конструктивных решений крепления нижнего бьефа эксплуатационных водосбросов гидроузлов Мрича (Индонезия) и Усть-Среднекаиского на р.Колыме, НПО "Ранд" при обосновании проектных решений водосбросных сооружений ряда гидроузлов на Камчатке, институтом Гипроречтранс при составлении ведомственных "Указаний по проектированию судоходных плотин".
Отдельные материалы исследований включены в справочную литературу и методические указания по расчетам гидротехнических сооружений и учебные пособия по курсу "Гидротехнические сооружения" специальности 2904 Санкт-Петербургского государственного технического университета.
Личный вклад в решение проблемы. Диссертация является результатом
многолетних исследований автора в области гидравлики водосбросных и
водопропускных гидротехнических сооружений, которые выполнялись им в период
1975 . . . 1995 г.г, в Санкт-Петербургском государственном техническом
университете (ЛПИ им.М.И.Калинина). Постановка задач исследований, поиск и выбор направлений их решения теоретическими и экспериментальными методами, анализ и обобщение приведенных в диссертации результатов осуществлены лично автором. В ходе исследований автор получил ценные советы от проф. Кадомского Е.Д., Лауреата Государственной премии. Заслуженного строителя РСФСР, проф. Можевитинова АЛ. и проф. Кузьмина С.А.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных автором в рамках настоящей диссертационной работы, докладывались, обсуждались и были одобрены на XV конференции научных работников ВНИИГ им. Веденеева Б.Е., ( 1980 г. ), на республиканской научно-технической конференции в г.Ровно ( 1980 г.), па научно-технических конференциях ЛПИ им. М.И. Калинина ( 1981 г. ), на XVII конференции научных работников ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева ( 1984 г. ), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений" ( ГВС-84 ) ( Ленинград, 1984 г. ), на Всесоюзной конференции по итогам работы вузов СССР в области гидротехники в XI пятилетке ( Куйбышев, 1985 г. ), на научно-технических совещаниях в институте "Союзпшроводхоз" им. Алексеевского Е.Е., в период 1980 . . .1986 г.г., на научно-технической конференции "Решение научно-технических проблем при создании Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса" (Ленинград, 1986 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение". (Ленинград, 1987 г.), на научно-технической конференции "Гидравлика гидротехнических сооружений" (ВНИИГ, 1994 г.).
По теме диссертации автором опубликовано 35 работ.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 487 наименований. Работа содержит 231 страниц машинописного текста, 145 рисунков и 4 таблицы.
