Обобщение опыта исследований и эксплуатации открытых нерегулируемых водосбросов веерного типа

Актуальность работы" В решениях второго съезда Коммунистической партии Кубы уделено значительное место перспективам развития мелиорации земель — мощному средству интенсификации ее сельскохозяйственного производства. Более четверти века насчитывает первое социалистическое государство в Латинской Америке, и практически все это время идет целеустремленная работа по развитию ее сельского хозяйства. За эти годы совместными усилиями кубинских и советских специалистов создана новая отрасль народного хозяйства Республики Куба — ее водное хозяйство. Лишь с помощью этой отрасли удается преодолеть характерную особенность климата острова Свободы — крайне неравномерное распределение осадков в течение года (на Кубе два времени года: влажный период, когда выпадает 85. 35% осадков, и сухой период, когда большая часть рек пересыхает и многие растения страдают от дефицита воды). Большинство сельскохозяйственных культур, возделываемых на Кубе, могут успешно произрастать и повышать урожайность лишь на поливных землях (сахарный тростник, рис, табак, кукуруза, фасоль, горох, овощные культуры и т. д.). Главным водоисточником орошения на Кубе являются искусственные водохранилища речных гидроузлов, полный объем которых за годы плодотворного кубинско-советского сотрудничества увеличился в 143 раза. В перспективе число этих водохранилищ должно достигнуть 470, а их суммарный объем — 14,5 миллиардов кубометров.

Характерной особенностью уже существующих, строящихся и проектируемых гидроузлов Кубы является наличие в составе компоновок их основных сооружений нерегулируемых открытых береговых водосбросов большой пропускной способности, что объясняется весьма интенсивным характером ливневых паводков на реках Кубы и их большими расходами. Опыт проектирования и строительства показал, что наиболее полно существующим особенностям гидрологии, геологии оснований, топографии створов и условий эксплуатации в рассматриваемом регионе отвечают веерные (мексиканские) водосбросы. Однако использовавшаяся ранее методология их расчетного обоснования имеет большое количество недостатков, главными из которых являются недостатки применявшихся гидравлических расчетов. В связи со всем этим решение задач совершенствования методов расчета и проектирования веерных водосбросов является в настоящее время весьма актуальным как для условий Кубы, так и для других регионов мира, реки которых имеют интенсивно нарастающие ливневые паводки с большими расходами.

Цель работы — разработка метода расчета веерных (мексиканских) водосбросов на основе детального учета всех факторов, влияющих на гидравлические условия их работы.

Достижение поставленной цели возможно после решения следующих задач:

1. Получения относительных координат пространственной струи, переливающейся через трехрадиусный в плане криволинейный водослив с тонкой стенкой.

2. Изучения основных закономерностей процесса перелива воды через водосливной порог головной части веерного водосброса.

3. Исследования гидравлических условий работы участка сопряжения бьефов за криволинейным в плане головным водосливным порогом, а также переходного участка веерного водосброса.

4. Проведения исследований гидравлики потока на быстроточном участке веерного водосброса при различных его уклонах.

Научная новизна работы.

В работе впервые:

— собраны и проанализированы материалы по конструкциям, основным особенностям проектирования и расчетного обоснования веерных водосбросов, выявлены их достоинства и недостатки, сформулированы на этой основе требования, которые должны удовлетворять предлагаемые новые методы расчетов этих водосбросов;

— изучен характер и закономерности перелива струи через криволинейный в плане водослив с тонкой стенкой веерного водосброса, получены данные, позволившие разработать таблицы и расчетные зависимости для определения относительных координат сечений таких водосливных пороговполучены данные по изменению пропускной способности водосливов с тонкой стенкой, очерченных в плане по координатам порога веерного водосброса;

— выполнены исследования закономерностей изменения коэффициента расхода водослива веерного водосброса, построенного по предлагаемым координатам;

— исследован характер распределения давлений по поверхности профиля водослива веерного водосброса;

— изучен характер изменения коэффициента скорости в зоне водосливного порога веерного водосброса, построенного по предлагаемым координатам;

— исследованы гидравлические режимы сопряжения бьефов за криволинейным водосливом и на основе полученных экспериментальных данных получены два метода установления рациональной отметки дна водобойной чаш, разработана программа для ЭВМ, позволяющая быстро проводить такие расчеты;

— получены данные об изменении коэффициента подтопления водослива головной части веерного водосброса;

— исследован характер изменения относительных осевых глубин на переходном и быстроточном участках веерных водосбросов (с вертикальными и наклонными стенками).

Практическая ценность работы.

Предложенные в работе методы расчетов веерных водосбросов позволяют повысить их надежность работы, улучшить эксплуатационные показатели, облегчить процесс проектирования. На основе результатов проведенных в рамках настоящей работы исследований представляется возможным осуществить весь комплекс гидравлических расчетов веерных водосбросов, исключив необходимость прибегать к интуитивным предположениям, повысив глубину обоснования и научной аргументации при назначении окончательных размеров конструктивных элементов водосбросов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научных конференциях МГМИ (1983. 1984 г. г.), на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений МГМИ, на конференциях специалистов Института водного хозяйства Республики Куба.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в практику проектирования веерных водосбросов в Институте водного хозяйства Республики Куба и использованы при выполнении проектных проработок по конкретным гидроузлам.

По теме диссертации опубликованы две статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов. Работа изложена на стр. машинописного.

ОСНОВНЫЙ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Анализ проектов и итогов эксплуатации построенных веерных водосбросов показал, что их конструкция весьма надежна и достаточно рациональна для условий речных гидроузлов на реках с интенсивными ливневыми паводками. Однако существующие методы расчетного обоснования этих водосбросов носили до настоящего времени весьма приближенный характер и не учитывали многих влияющих факторов. При расчете координат веерного водосливного порога не учитывалась его плановая кривизна и относительный скоростной напор в подводящем канале. Не учитывалась пространственная работа водослива при оценке его пропускной способности и условий гашения в области водобойной чаши. На всех участках за водосливом поток рассматривался как призматический.

2. Изучение различных способов построения координат фронтальных прямых, кольцевых и других криволинейных в плане водосбросов показало на необходимость учета фактора влияния скорости подхода к водосливам, который особенно сильно отражается на местоположений в вертикальной плоскости кривой восходящей ветви профиля водослива. В итоге водосливы, координаты которых не учитывают влияние скорости подхода СВ. Кригера, В. Кригера-А.С.Офицеров") имеют более полный профиль за счет более крутой траектории восходящей ветви кривой безразмерных координат, а водосливы, построенные по учитывающим скорость подхода (Дж.Варнока, Бюро мелиорации, веерные водосбросы по нашим координатам), имеют более короткую и более пологую траекторию восходящейветви и более обжатый, но вполне устойчивый профиль.

3. Выполненные нами исследования позволили установить, что веерные водосливные пороги рассматриваемых водосбросов целесообразно проектировать по координатам профиля осевого сечения их центральной плановой арки. Получены экспериментальные кривые и аппроксимирующие их уравнения, позволяющие установить местоположение начала отсчета таких координат в различных сечениях водослива. Уравнения приведены в безразмерном виде (уравнения (3.4-.. (3.5)). Предложены два метода построения профиля веерного водослива — табличный (таблицы 3.2 и 3.3) и аналитический — формула (3.8- и вспомогательные графики (рис. 3.11).

4. Получены экспериментальные данные, позволяющие объективно определить пропускную способность веерного водослива практического профиля и с тонкой стенкой (рис. 4.2 и 4.3). Установлено, что водосливы, построенные по предлагаемым в настоящей работе координатам, имеют существенно большую пропускную способность, чем такие же водосливы, построенные по координатам В.Кригера. Полученные графики и таблицы, позволяющие определить коэффициент расхода веерных водосбросов предлагаемого профиля, профиля В. Кригера, а также оценить пропускную способность предложенных водосливов при напорах, отличных от профилирующего. Полученные данные сопоставлены с результатами других исследователей. Рассмотрен характер распределения давлений по поверхности профиля водослива веерного водосброса.

5. Получены экспериментальные данные о характере изменения коэффициента скорости? ="МР/Но)^рис. 5.2). Получены данные об изменении относительного подтопления веерного водослива. Предложены два метода установления рациональной отметки дна водобойной чаши за веерным водосливом, отвечающей условию предельно допустимого затопления последнего.

По первому способу методом иттераций совместно решаются уравнения (5.10) и (5.20). Для ускорения расчетов составлены программы для ЭВМ на языке Фортран. По второму методу определение местоположения дна водобойной чаши осуществляется с помощью полученных экспериментальных кривых Ьгт/Ькр= (Ьк/Р^ и.

ЬксЛ^ (Ь/Рт) с проверкой выполнения условия^5.27К Использование второго метода позволяет одновременно находить и глубины в контрольном сечении.

6. Получены данные об изменении относительных осевых глубин на переходном и быстроточном участках в зависимости от относительной высоты водослива головной части, местоположения рассматриваемого сечения потока и уклона быстротока. Приводятся графики и таблицы, позволяющие быстро определить искомые глубины на рассматриваемых участках веерных водосбросов.