Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние научных исследований, проектирования и строительства ступенчатых водосбросов 11
1.1. Общие сведения о ступенчатых водосбросах 11
1.2. Некоторые конструктивные особенности укатанных высокопороговых бетонных ступенчатых водосбросов 13
1.3. Методика расчетного обоснования проектов бетонных ступенчатых водосбросов, применяемая в практике гидротехнического строительства 20
1.4. Современные бетонные ступенчатые водосбросы в КНР 27
1.5. Новые конструкции быков бетонных ступенчатых водосбросов, применяемые в практике гидротехнического строительства КНР 31
1.6. Современный опыт проектирования и строительства ступенчатых водосбросов в Российской Федерации 41
1.7. Выводы по главе 1 44
ГЛАВА 2. Методика проведения гидравлических лабораторных исследований бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани 46
2.1. Принципы физического моделирования 46
2.2. Гидравлическая экспериментальная установка и методика проведения экспериментальных исследований 49
2.2.1. Основные характеристики элементов моделей ступенчатой конструкции водосброса при различных размерах ступеней и углах наклона низовой сливной грани 50
2.2.2. Основные характеристики элементов моделей со ступенями при различных конструкциях оголовков и быков 55
2.2.3. Общие сведения и основные параметры водосбросной плотины со ступенчатой низовой сливной гранью гидроузла “Да Чао Шан” в КНР 65
2.3. Измерительные приборы экспериментальной установки 67
2.4. Оценка точности экспериментальных измерений 71
2.5. Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах с различными углами наклона низовой грани и размерами ступеней 74
3.1. Гидравлические режимы при различных размерах ступеней и углах наклона низовой сливной грани 74
3.1.1. Основные сведения о гидравлических режимах 74
3.1.2. Сравнение результатов экспериментальных измерений и численных расчетов 77
3.2. Явление “крылообразной водной струи” в гидравлическом режиме на ступенчатых водосбросах с различными размерами ступеней и углами наклона сливной грани 79
3.3. Влияние параметров “крылообразной водной струи” на давление на поверхности ступеней водосброса с различными размерами ступеней и углами наклона сливной грани 84
3.4. Гашение избыточной энергии потока на водосливной ступенчатой грани
при различных углах её наклона и размерах ступеней 86
3.4.1. Краткий обзор результатов современных исследований гашения избыточной энергии 86
3.4.2. Основные результаты исследований, полученные автором 94
3.5. Значения коэффициента гашения избыточной энергии потока
ступенчатых водосбросов с различными размерами и углами наклона 118
3.6. Выводы по главе 3 131
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований особенностей гашения избыточной энергии потока на ступенчатых водосбросах при различных конструкциях оголовков и быков 134
4.1. Местоположение точки начала аэрации ступенчатых водосбросов с различными оголовками и быками 134
4.1.1. Основные сведения об исследованиях других авторов 134
4.1.2. Экспериментальные исследования автора 135
4.2. Исследование коэффициента скорости по длине водосливной поверхности ступенчатого водосброса с различными типами оголовков и быков 139
4.3. Исследования совершенного гидравлического прыжка на водобое за ступенчатым водосбросом с различными конструкциями оголовков и быков 153
4.4. Изменения коэффициентов скорости, гашения избыточной энергии и сопротивления в сжатом сечении за водосбросами со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков
4.5. Изменение коэффициента расхода водосливной грани ступенчатых водосбросов с различными оголовками и быками 165
4.6. Значения коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине поверхности ступенчатого водосброса с различными оголовками и быками 169
4.6.1. Общие сведения исследований других авторов 169
4.6.2. Экспериментальные данные исследований, полученные автором 171
4.7. Натурные и экспериментальные исследования гидравлических
особенностей ступенчатых водосбросов для целей регулирования трансформации паводка водохранилищем гидроузла “Да Чао Шан” по гидрологическим данным реки Меконг в КНР 173
4.7.1. Основные гидрологические данные реки Меконг в районе водохранилища гидроузла “Да Чао Шан” 173
4.7.2. Натурные и экспериментальные исследования ступенчатого водосброса гидроузла “Да Чао Шан” 181
4.8. Выводы по главе 4 191
Заключение 195
Список литературы 202
- Методика расчетного обоснования проектов бетонных ступенчатых водосбросов, применяемая в практике гидротехнического строительства
- Основные характеристики элементов моделей ступенчатой конструкции водосброса при различных размерах ступеней и углах наклона низовой сливной грани
- Сравнение результатов экспериментальных измерений и численных расчетов
- Изменение коэффициента расхода водосливной грани ступенчатых водосбросов с различными оголовками и быками
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ современных мировых
тенденций в проектировании и строительстве гидроэнергетических объектов
свидетельствует об интенсивном строительстве средне- и высоконапорных
гидроузлов. Так, например, к концу ХХ века в Китае из 371 построенных
плотин - 205 были грунтовые и 157 - гравитационные, 23 из которых имеют
высоту более 100 метров. За последнее десятилетие в КНР было построено
несколько плотин высотой более 200 метров, в том числе, гидроузлы “Эр Тань”
высотой 240 м, “Си Ло Ду” высотой 273 м, “Лун Тань” высотой 216,5 м, “Сяо
Вань” высотой 292 м и др. В основном эти гидроузлы предназначены для целей
водоснабжения, ирригации и борьбы с паводками. В России в настоящее время
строятся крупные гидроузлы комплексного назначения: Богучанский на р.
Ангаре, Бурейский на р. Бурее, Ирганайский на Северном Кавказе и др.
Практически на всех современных средне- и высоконапорных гидроузлах
актуальной является проблема гашения избыточной энергии потока. При этом
на высоконапорных водосбросах в пределах проточного тракта возникают такие
нежелательные явления как вибрация элементов конструкций под действием
гидродинамических нагрузок, кавитационные разрушения, раскрытие
деформационных швов, образование трещин и др. Отмечается снижение надежности концевого участка водосброса в результате диссипации значительного количества энергии на водосбросном фронте. Поэтому требуются дорогостоящие мероприятия, направленные на предупреждение и устранение вышеуказанных явлений, в том числе на повышение коэффициента армирования и класса бетона, улучшение качества укладки, повышение прочности последнего. Все это приводит к существенному увеличению сметной стоимости строительства гидротехнических сооружений.
Одним из возможных путей решения проблемы гашения избыточной
энергии потока является использование повышенной шероховатости
поверхности водосливной грани бетонных водосбросов гидроузлов.
Степень её разработанности. Сегодня в мировой гидротехнической практике интенсивно строятся плотины из укатанного бетона, в теле которых возводят водосбросы со ступенчатой низовой водосливной гранью. Такие конструкции водосливных плотин наиболее распространены в США, Японии, Великобритании, Латинской Америке, Южной Африке, КНР и других странах. Например, в Китае для сброса паводковых вод через такие водосбросы с целью гашения их избыточной энергии используется метод комбинированного гашения путем устройства в водосбросных пролетах быков с расширенной кормовой частью, сопряженной с вертикальным носком-уступом.
Таким образом, настоящая диссертационная работа, направленная на
выбор оптимальных конструкций и методов расчетного гидравлического обоснования бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани с целью повышения их пропускной способности и эффективности гашения избыточной кинетической энергии представляется актуальной и необходимой.
Цели и задачи. Совершенствование конструкций и методов расчетного гидравлического обоснования бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани, имеющими различные размеры ступеней, углы наклона сливной грани водосброса, различные конструкции входных оголовков и быков.
Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие основные задачи:
провести сравнительный анализ зарубежного и российского опыта по гидравлическому исследованию водосбросов со ступенями на низовой грани;
экспериментально изучить явление “крылообразной водной струи” на ступенчатых водосбросах с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;
выполнить исследование коэффициента гашения избыточной энергии потока по длине и коэффициента гашения избыточной энергии ступенчатых водосбросов, в том числе водосбросов с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;
экспериментально определить местоположение точки начала аэрации потока на ступенчатых водосбросах с различными типами оголовков и быков; оценить значения коэффициента скорости, коэффициента гашения избыточной энергии потока и коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине на ступенчатых водосбросах с различными типами оголовков и быков;
выполнить оценку гидравлического режима различных вариантов конструкции ступенчатого бетонного водосброса гидроузла “Да Чао Шан” в КНР.
Научная новизна:
экспериментально (на физических моделях) подтверждено существование различных гидравлических режимов течения на ступенчатых бетонных водосбросах с разными размерами ступеней, углами наклона низовой сливной грани водосброса, типами оголовков и быков;
получены гидравлические параметры “крылообразной водной струи” и их влияние на давление в зависимости от удельного расхода при различных углах наклона низовой сливной грани ступенчатого водосброса и размерах ступеней;
получены новые данные об изменении коэффициента гашения
избыточной энергии потока по длине и коэффициента гашения избыточной энергии ступенчатых водосбросов, в том числе с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;
установлено, что экспериментальные зависимости по определению местоположения точки начала аэрации на сливной грани ступенчатого водосброса могут быть успешно применены для гидравлических исследований и расчетного обоснования конструкций водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков; получены оценки величин коэффициента гашения избыточной энергии, коэффициента скорости и коэффициента гидравлического сопротивления трения по длине водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков;
выполнена оценка распределения средних пьезометрических давлений для различных вариантов конструкций водосбросов со ступенями на низовой грани гидроузла “Да Чао Шан” в КНР.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в рамках диссертационной работы теоретические и экспериментальные зависимости, а также практические рекомендации ориентированы на их использование в практике проектирования, эксплуатации и строительства бетонных водосбросных плотин со ступенями на низовой грани.
Методология и методы исследования. Теоретические расчёты, физические модельные гидравлические исследования.
Положения, выносимые на защиту:
- особенности гидравлического режима на ступенчатых водосбросах
с различными размерами ступеней и углами наклона низовой сливной грани;
гидравлические параметры “крылообразной водной струи” и их влияние на давление в зависимости от удельного расхода при различных углах наклона низовой сливной грани ступенчатого водосброса и размерах ступеней;
результаты исследования коэффициента гашения избыточной энергии по длине и коэффициента гашения избыточной энергии на ступенчатых водосбросах при различных углах наклона низовой сливной грани водосброса и высот ступеней;
экспериментальные зависимости для определения местоположения точки начала аэрации потока по длине сливной грани ступенчатого водосброса при различных типах оголовков и быков; новые данные об изменении коэффициентов скорости, гашения избыточной энергии и гидравлического сопротивления трения по длине водосбросов со ступенями на низовой грани с различными типами оголовков и быков;
результаты сравнительного анализа и зависимости распределения относительного давления от относительного расстояния от верхней точки
водослива до мерного створа по длине сливной грани, на оголовке водослива, обратной дуге и водобое для различных вариантов конструкции ступенчатого бетонного водосброса гидроузла “Да Чао Шан” в КНР.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждена большим объёмом экспериментального материала, проанализированного автором в диссертационной работе; апробированными исходными положениями и современными методиками, принятыми автором в лабораторных гидравлических исследованиях; применением протарированных приборов, средств измерений и обработки полученных данных, а также удовлетворительной сходимостью результатов, полученных автором, и экспериментальных данных российских, китайских и других зарубежных исследователей.
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений факультета гидротехнического, агропромышленного и гражданского строительства института природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» и на международных научно-практических конференциях (2011-2015 гг.):
«Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК», посвященной 150-летию со дня рождения основоположника высшего гидротехнического и мелиоративного образования в России В.В. Подарева, Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-20 апреля 2012 г;
«Проблемы комплексного обустройства техно-природных систем», Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 16-18 апреля 2013 г;
«Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», Москва, Институт природообустройства имени А.Н. Костякова ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», 22-25 апреля 2014 г;
«Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая созданию объединённого аграрного вуза в Москве», Москва, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», 3-4 июня 2014 г;
11th International Conference on Hydroinformatics HIC "Informatics and the Environment: Data and Model Integration in a Heterogeneous Hydro World", New York City, USA, August 17-21, 2014;
«Международная научная конференция молодых учёных и специалистов, посвящённая 150-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»,
Москва, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева», 2-3 июня 2015 г;
По результатам диссертационных исследований опубликовано 8 работ, из них 6 в научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объём диссертации. Настоящая работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Изложена на 211 страницах, содержит 61 таблицу и 107 рисунков. Библиографический список литературы насчитывает 102 наименование, из которых 60 на иностранных языках (из них 31 на английском языке и 29 на китайском языке).
Методика расчетного обоснования проектов бетонных ступенчатых водосбросов, применяемая в практике гидротехнического строительства
Повышенный интерес к строительству плотин такой конструкции возник во второй половине XX и начале XXI веков во многих зарубежных странах (КНР, США, ЮАР, Япония, Испания и др.). Это было вызвано развитием технологий строительства гравитационных и арочных плотин из укатанного бетона (RCC). В плотинах из укатанного бетона, в связи со спецификой материала и схемой производства работ, возможность фильтрации воды через тело таких плотин выше, чем в традиционных бетонных плотинах [2, 13, 14].
Строительство более 100 плотин из укатанного бетона, осуществленное в мире в течение последних тридцати лет (например, бетонные водосбросные плотины гидроузлов Тамагава - Япония, 1987 г., высота 100 м (см. рисунок 1.2) [26]; Симадзигава - Япония, 1980 г., высота 89 м; Монксвилл - США; Де Мистраль и Заайхоек - ЮАР, 1986...1987 гг.; Нельпурт, Волведанс и Кнепльпоорт - ЮАР; Уиллоу Крик - США; Коусар - Иран, 2004 г.; Оливенхэйн - США, 2003 г.; Аппер Стиллватер - США, 1987 г.; Вулведэнс - ЮАР, 1990 г. и др.) [2, 14, 26], позволило использовать опыт внедрения новых конструкций и технологий строительства таких уникальных гидротехнических сооружений, высота которых часто превосходила 60...100 м, а также тщательно проанализировать экономические показатели этого практического опыта [26]. а и б - глухая и водосливная части; 1,2,4,5- вибрированный бвтон - зоны укладки смвсвй соответственно А-1, В-2, А-2, А-3; 3 - укатанный бвтон - внутренняя зона, смвсь В-1;6 и 7 - армированный вибрированный бвтон, соответственно С-1 и C-2;S вибрированный бвтон. (Размеры в м)
Плотина Тамагава из укатанного бетона с гладкой поверхностью низовой сливной гранью, высота плотины 100 м, построена в 1987 г. [26] Рисунки 1.3 и 1.4 демонстрируют гидравлические условия работы таких водосбросных плотин на гидроузлах Аппер Стиллватер (США) и Волведанс
Для защиты напорной грани в этих плотинах можно использовать не очень тонкие защитные слои из обычного гидротехнического бетона, что из-за сложности конструкции уменьшает некоторые преимущества плотин из укатанного бетона [13, 89]. Выяснилось, что при устройстве ступеней из укатанного бетона, с одной стороны, капитальные затраты на строительство плотины снижаются на 40%, а, с другой стороны, сохраняются выгодные гидравлические условия работы ступенчатых сливных граней, которые весьма эффективно гасят избыточную кинетическую энергию сбрасываемого потока. Анализ специальной литературы позволил установить, что [13, 18, 89]: - использование при строительстве таких плотин укатанных бетонов, получаемых из малоцементных особо жестких смесей, позволяет возводить сооружения из материала с низким тепловыделением и малой усадкой, что дает возможность возводить их массивные бетонные конструкции без сложных и дорогих мер по регулированию температурного режима бетонной укладки; получаемый при такой технологии строительства укатанный бетон имеет высокую раннюю прочность, что обеспечивает достаточность перемещения бетона для его укатки, а также позволяет вести строительство с очень высокой интенсивностью укладки бетона, резко уменьшая трудозатраты, снижая стоимость и сроки возведения сооружений. Стоимость плотин из укатанного бетона уменьшается по сравнению со стоимостью плотин из традиционных бетонов в среднем не менее, чем на 10...20%; - малоцементные бетоны отличаются низким тепловыделением и малой усадкой, что облегчает борьбу с экзотермией, сокрашает продолжительность остывания бетонной кладки; - благодаря простоте технологии и сокращению до минимума вспомогательных операций можно уменьшить объём и сроки создания производственной базы строительства и тем самым сократить подготовительный период и продолжительность строительства.
Анализ конструктивных решений гравитационных водосбросных плотин из укатанных бетонов со ступенчатой низовой сливной гранью показал, что [13, 18]: - ступенчатая форма низовой грани позволяет сократить объем опалубочных работ для этой грани почти на 30%; - резко упрощается конструкция опалубки, её монтаж и перемонтаж; обеспечиваются благоприятные условия для укладки и уплотнения лицевых слоев бетона на низовой грани; - создается возможность перелива паводковых вод через плотину во время её строительства; - очертания их поперечного сечения, как правило, мало отличаются от очертаний обычных гравитационных бетонных плотин; - неоднородность и склонность к расслоению укатанного бетона, а также относительно низкая его морозостойкость приводят к необходимости защиты последнего от внешних воздействий и фильтрации воды путем создания наружной зоны поперечного сечения из вибрированного бетона с повышенным содержанием цемента [66].
В работе [41] А.М. Швайнштейн отмечает, что при малом удельном расходе и в скользящем (быстроточном) режиме, коэффициент гашения избыточной энергии можно допускать до 75%. Коэффициент гашения избыточной энергии по длине уменьшается в соответствии с удельным расходом, амплитуда которого увеличивается [41]. Бетонная водосбросная плотина с скругленными входными оголовками выполняется с крутым уклоном ступенчатой сливной грани, устанавливаемым, исходя из статических условий их работ, и составляющим 0,75...0,8, а в отдельных случаях достигающим 0,6. Высота ступеней обычно составляет 0,6...1,2 м [40]. На вертикальных площадках ступеней в зоне развитой аэрации осредненные вакуумы не превышают численно 0,5...1,0 значения высоты ступеней гравитационных водосбросных плотин из укатанных бетонов со ступенчатой низовой сливной гранью [39].
Основные характеристики элементов моделей ступенчатой конструкции водосброса при различных размерах ступеней и углах наклона низовой сливной грани
В ходе гидравлических исследований рассматривались модели различных водосбросных плотин со ступенчатой низовой водосливной гранью с разной высотой их тела (см. рисунок 2.6) [16]:
170 см (вакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, поперечное сечение которого было выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым), при удельных расходах q0,\ м3/(см) и отношении НоІГф1,2...3,4 (где Но - напор с учетом скорости подхода, Гф -фиктивный радиус, равный 0,1 м), эллиптическим оголовком с вакуумным профилем и соотношением полуосей эллипса alb=1 (модель -А-1) [42];
192 см (безвакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, построенным по координатам Кригера-Офицерова). При построении очертаний поперечного сечения водослива по координатам Кригера-Офицерова его профилирующий (расчетный) напор был равен 30 см (модель -А-2) [42];
196 см (безвакуумный водосброс с телом водослива практического профиля, очерченного по координатам WES), при расчетном напоре Я =30 см. Проектирование такого профиля велось по формуле [5]: х1 5=2Н 5у, где х и у -координаты поверхности водослива, отсчитываемые от центра, находящегося на гребне водослива и проведенные, соответственно, по горизонталям и вертикалям, Hd - расчетный напор водослива (модели: -А-3, -В-1, -В-2, -В-3) [5, 101]. Расходы на моделях (типа -A-2, -A-3, -B-1, -B-2, -B-3) менялись в диапазоне от 0,02 м3/с до 0,12 м3/с; на модели типа -A-1 при удельных расходах q0,1 м3/(см) отношение составляло Н0/rф1,2...3,4 [16, 42] и эксперимент проводился при расходе 0,02...0,2 м3/с. При проектировании реальных водосбросных сооружений обычно принимается удельный расход, необходимый для определения в дальнейшем размеров водосброса и последующего исследования его пропускной способности. В нашем исследовании использовалось физическое моделирование на модели водосброса, выполненной в масштабе 1:10.
В моделях типа -A-1, -A-2, -A-3 ширина пролета водосброса в свету была равна B=1 м, тогда при расходах на модели в диапазоне 0,02...0,2 м3/с, удельный расход был 0,02...0,2 м3/(см). В моделях типа -B-1, -B-2, -B-3 было три пролета, каждый пролет в свету был равен 0,23 м, общая ширина пролетов была равна 0,69 м. При расходах модели в диапазоне 0,02...0,12 м3/с, удельный расход был 0,0289...0,1739 м3/(см).
Всего было построено 6 типов моделей ступенчатых водосбросов, которые исследовались в двух сериях опытов A (см. рисунки 2.7, 2.8 и 2.9) и B (см. рисунки 2.10, 2.11 и 2.12).
В серии A исследовался ступенчатый водосброс с вакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым - (модель-A-1); водосброс с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам Кригера-Офицерова - (модель-A-2); водосброс с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам WES - (модель-A3).
В серии B исследовался ступенчатый водосброс с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого было выполнено по координатам WES, оборудованным быками различных конструкций: традиционными быками (модель-B-1); быками с расширенной кормовой частью, создающей “игрек-образное” течение ниже быка (модель-B-2); быками с расширенной кормовой частью, создающей “икс-образное” течение ниже быка (модель-B-3). При проектировании моделей быков в масштабе 1:60 использовались чертежи натурных традиционных быков, а также быков с расширенной кормовой частью, создающих в потоке “игрек-образное” течение в нижнем бьефе как на водосбросе гидроузла Да Чао Шан в КНР [80]. Особенностью проектирования моделей быков с расширенной кормовой частью, создающих в потоке “икс-образное” течение в плане, являлось то, что малые расходы проходили через них по полной ширине пролета водосброса с использованием проточных каналов, устроенных в нижней части кормового расширения. Высота этих проточных каналов в натуре составляла 1,2 м, остальные параметры были как у традиционных бычков и бычков с расширенной кормовой частью, создающей в потоке “игрек-образное” течение в плане.
Основные параметры моделей при различных конструкциях оголовков и быков приведены в таблице 2.3 [16].
Сравнение моделей водосбросов со ступенями на низовой грани А-1, А-2, А-3 и поперечными сечениями, построенными по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым; по Кригер-Офицерову и WES [42, 101] Выполненный анализ показал, что водосбросы практического профиля характеризуются нижеследующим [42, 101]: - водосбросы, тело которых запроектировано по координатам Кригера-Офицерова, имеют больший объём бетона, и меньшую пропускную способность, чем водосбросы, выполненные по координатам WES; - водосбросы, выполненные по координатному методу WES, более просто проектировать и строить. Видимо из-за этих двух обстоятельств они нашли более широкое распространение в практике гидротехнического строительства США и КНР; - водосбросы с вакуумными оголовками, хотя и более экономичны с точки зрения объёма их бетонного тела, но имеют определенные ограничения по действующим напорам, и поэтому пока применяются относительно редко.
Сравнение результатов экспериментальных измерений и численных расчетов
В первой главе (см. рисунок 1.5) представлена конструктивная схема в гидравлическом режиме, на которой показано расстояние Lрас до точки начала аэрации потока, обычно определяемое от оси, проходящей через точку наивысшего подъёма образующей поверхности оголовка. Для определения местоположения точки начала аэрации для быстротока прямоугольного сечения Ялин и другие ученые провели исследования и получили уравнение [101]: где hw - глубина потока (в случае возникновения аэрации потока принято различать глубины аэрированного и неаэрированного потока); hкр - критическая глубина; - шероховатость быстротока.
Кроме того, для определения местоположения точки начала аэрации на водосбросной плотине были получены и другие зависимости: Майклзом [101]:
Оценку глубины ha аэрированного потока в быстротоке с прямоугольным поперечным сечением можно выполнить по зависимостям [101]: где h - глубина чистого потока; Qa - расход потока смеси с воздухом, Q - расход чистого потока без смеси с воздухом; са - концентрация воздуха аэрированного потока; /? - концентрация воздуха аэрированного потока, fi=h/ha; средняя скорость Va аэрированного потока и неаэрированного потока V.
Экспериментальные данные, полученные автором в процессе модельных исследований, позволили построить зависимости местоположения точки начала аэрации потока от характеристического критерия Фруда Fr , вычисленного по формуле (1.10) для ступенчатой эквивалентной шероховатости на низовой сливной грани водосброса Ks=dcos9 (см. рисунок 4.1).
В таблицах 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 представлены сравнительные данные по опытным и расчетным величинам, определенным по формулам (1.2) и (1.3). В практических экспериментах для расчета глубин потока в точке начала аэрации hmj использовалось уравнение (1.3). вычисленными по формулам (1.2) и (1.3) в серии A- Серия Удельный расходq, м3/(см) По формуле:hm,i, м По формуле:Lрас/ks По эксперименту: L/ks По формуле:Fr A-l 0,02 0,016 5,428 График зависимости местоположения точки начала аэрации потока от характеристического критерия Фруда Fr , вычисленного для ступенчатой эквивалентной шероховатости на низовой сливной грани
Обобщение экспериментальных данных, представленное в таблицах 4.1...4.6 и на рисунке 4.1, показало следующее: - кривая зависимости местоположения точки начала аэрации потока от характеристического критерия Фруда Fr для водосброса модели В-2 с быками с расширенной кормовой частью, создающей “игрек-образное” течение ниже быка, располагается выше, чем кривая для водосброса модели В-1 с традиционными быками; - кривая для водосброса модели В-1 с традиционными быками располагается выше, чем кривая для водосброса модели В-3 с быками с расширенной кормовой частью, создающей “икс-образное” течение ниже быка; для водосброса модели А-3 с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам WES, располагается выше, чем кривая для водосброса модели А-2 с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам Кригера-Офицерова; - ниже всех располагается кривая для водосброса модели А-1 с вакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым; - сравнение опытных значений L/KS с значениями, вычисленными по формуле (1.2), в серии А-1 показывают близость их друг к другу, следовательно данную формулу можно рекомендовать к использованию только для водосброса с вакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам, рекомендованным Н.П. Розановым.
Исследование коэффициента скорости по длине водосливной поверхности ступенчатого водосброса с различными типами оголовков и быков Анализ изменения значений коэффициента скорости (или относительной скорости) по длине сливной грани ступенчатого водосброса необходим для оценки влияния местных сопротивлений и неравномерности распространения потока на гидравлические характеристики потока на ступенчатом водосбросе [14].
В общем виде значение коэффициента скорости (относительной скорости) р определяется по зависимости [2, 14]: р=РУ[2(0-/2г)]1/2, (4.10) где E0=Hm+H0+Vo2l2g - полный напор в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа; Нт (или Р) - высота водосбросной плотины; V0 и Н0 - скорость и напор с учетом скорости подхода водосбросной плотины; hi и Vi - глубина и скорость в сжатом сечении перед гидравлическим прыжком; Ii2 и Кг - глубина и скорость в районе второй сопряженной глубины в сечении после гидравлического прыжка; Vt и hi - средняя скорость и глубина потока в измеренном створе водосброса со ступенями на низовой грани (см. рисунок 4.2).
Полученные в опытах результаты представлены на графиках (см. рисунки 4.3...4.9) в координатах (p=f[Lilhkp\ для условий, когда измерительный створ располагается на линии сливной грани; U - расстояние от О-го до измерительного створа на водосливе; hkp - критическая глубина.
В таблицах 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.11, 4.12 представлены результаты определения гидравлических характеристик потока, в том числе значений коэффициента скорости, для различных конструкций оголовков и быков бетонных водосбросов со ступенями на низовой грани.
Изменение коэффициента расхода водосливной грани ступенчатых водосбросов с различными оголовками и быками
Река Меконг протекает по территориям Китая, Лаоса, Таиланда, Камбоджи и Вьетнама, и является самой большой рекой на Индокитайском полуострове. Её длина составляет около 4500 км, площадь бассейна реки составляет 810 тыс. км2.
Водохранилище гидроузла “Да Чао Шан” расположено в среднем течении реки Меконг (Лань Цан Цзян) на территории КНР. Площадь водосбора гидроузла в верхнем бьефе - 12,1 млн. км2, в районе плотины многолетнее среднее количество осадков составляет 1100 мм, многолетний средний расход - 1330 м3/с, многолетний средний сток - 420 млрд. м3/год, нормальный подпорный уровень (НПУ) - 899,0 м, соответственный объём - 7,4 млрд. м3, уровень мёртвого объема (УМО) - 887 м, соответственный объём - 4,64 млрд. м3 [16, 80]. По проектным данным наводнения в районе гидроузла происходят один раз в 500 лет, пиковый расход расчетного паводка составляет - 18200 м3/с, расчетный расход поверхностного водосброса равен 9790 м3/с, его удельный расход - 113,8 м3/см. В проекте было предусмотрено строительство гидроэлектростанции (ГЭС) с шестью агрегатами при соответствующем расчетном уровне паводка 899 м. Для наводнений, происходящих в этом районе один раз в 5000 лет, пиковый расход расчетного паводка составляет 23800 м3/с, а расчетный расход поверхностного водосброса равен 16646 м3/с и его удельный расход - 193,6 м3/см. В проекте не предусмотрено участие шести агрегатов ГЭС в пропуске таких паводковых расходов, а соответствующий расчетный уровень паводка равен 905,89 м и полный объём водохранилища при этом будет равен 9,4 млрд. м3.
В соответствие с проектом гидроузла во время пропуска ежегодных паводков предусмотрено первоначальное открытие трёх отверстий донного водосброса. Если этого недостаточно и ГЭС не может пропустить паводковые расходы воды, тогда предусмотрено открытие ещё пяти отверстий поверхностного водосброса. Когда уровень воды снижается до отметки уровня предельного паводка, равного 882 м, необходимо начать закрывать отверстия поверхностного водосброса. Только после этого через отверстия донного водосброса постепенно осуществляется регулирование уровня воды до НПУ=899 м, в это время все остальные водопропускные сооружения должны быть закрыты. При расчетном уровне воды в верхнем бьефе, достаточном для гашения энергии и недопущения размывов, необходимо поддержание отметки 894,38 м (P=1%), донный водосброс и поверхностный водосброс сбрасывают паводковый расход почти на половину. При обычном паводке до отметки уровня предельного паводка 882 м, донный водосброс сбрасывает паводковый объём на 70%...100%. При расчетном уровне воды равном 899 м (1 раз в 500 лет) донный водосброс сбрасывает паводок на 40%. При расчетном уровне воды больше 899 м (1 раз в 1000 лет), поверхностный водосброс полностью сбрасывает паводок [80].
Защита территории водохранилищем гидроузла “Да Чао Шан” от наводнений. Размеры водопропускных устройств плотины и дорожных переездов ограничены, поэтому в эксплуатационный период прохождения катастрофических паводков в нижний бьеф этих гидротехнических сооружений расходы воды поступают меньшие, чем те, которые поступают в верхний бьеф и временно накапливается объём воды, который гидравлически в период паводка не может быть пропущен в нижний бьеф (максимальное значение такого объём принято называть объёмом форсировки Vф). При этом, естественно, максимальный расход в нижний бьеф уменьшается, а продолжительность всего паводка увеличивается, такой процесс называется трансформацией паводка. Трансформация паводка позволяет предотвратить наводнение на реке ниже плотины. Однако ёмкость форсировки увеличивает высоту плотины, повышает отметки подпора и расширяет площади затопления и подтопления территории верхнего бьефа. Оптимальную величину Vф выбирают на основании технико-экономических расчетов [24, 36].
Расчет трансформации паводка выполняются на основе уравнения баланса воды в водохранилище. В общем случае баланс воды в водохранилище за время dt может быть выражен следующим дифференциальным уравнением [24, 36, 59]: dV = Qdt-qdt, (4.38) где Q - расходы, поступающие к входному створу водохранилища; q - расходы в створе водосбросного устройства гидротехнического сооружения (сбросные расходы); V - объём воды в водохранилище.
Уравнение (4.38) является нелинейным дифференциальным уравнением и для реальных природных условий в квадратурах не разрешимо. Поэтому в практике водохозяйственных расчетов применяются различные методы приближенного интегрирования. Воспользуемся двумя методами, которые получили наибольшее распространение в практике [24, 36, 37, 59].
Необходимо определить регулирующее влияние водохранилища гидроузла “Да Чао Шан” на максимальный сток. Сначала воспользуемся приближенным методом Д.И. Кочерина. Такой метод предполагает следующие основные допущения [24]: - гидрограф паводка схематизируется в виде треугольника или трапеции; водопропускное устройство - прямоугольный водослив с отметкой порога на отметке НПУ, сбросные расходы в нижний бьеф q изменяются по линейной зависимости; - к началу паводка водохранилище гидроузла “Да Чао Шан” наполнено до НПУ, водоотдача и дополнительные потери воды на испарение и фильтрацию не учитываются в виду их незначительной величины по сравнению с объёмом паводка.
Принимаем, соответственно, гидрограф половодья треугольной формы, конструкция водосбросных сооружений - водослив практического профиля с безвакуумным оголовком и телом, поперечное сечение которого выполнено по координатам WES без затворов, а также оборудованная быками с расширенной кормовой частью, создающей “игрек-образное” течение ниже быка со ступенями на низовой грани; отметка гребня водослива совмещена с НПУ (НПУ принимается по данным расчета сезонного регулирования стока), к началу половодья водохранилище гидроузла “Да Чао Шан” наполнено до НПУ; потери на фильтрацию и испарение не учитываем [36, 37].