УДК 627.83

В.А. Волосухин, Е.Н. Белоконев

НОУ «Академия безопасности гидротехнических сооружений»,

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет»,

Россия

К УСТАНОВЛЕНИЮ ЗАВИСИМОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ВОДОСЛИВНОЙ ВОРОНКЕ ОТ НАПОРА В ШАХТНОМ ВОДОСБРОСЕ НЕБЕРДЖАЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Аннотация. В статье исследовалась зависимость гидравлического режима в водосливной воронке от напора в независимости от подтопления ее со стороны шахты и водоотводной части (туннеля) шахтного водосброса Неберджаевского водохранилища. Установлены предельные расходы и, соответственно, напоры с точки зрения обеспечения гидравлической безопасности.

Ключевые слова: круговой водослив, воронка, напор, расход, режимы работы, шахта, туннель, коэффициент расхода, радиус, скорость, сход струй.

Keywords: circular spillway, funnel, pressure, expense, operating modes, mine, tunnel, expense coefficient, radius, speed, descent of streams.

Наводнение на Кубани 7 июня 2012 г. относится к категории выдающихся. К сожалению, в зоне чрезвычайной ситуации погиб 171 человек, из них наибольшее количество – в г. Крымск [1, 2]. В средствах массовой информации особенно в первые дни после наводнения необоснованно негативную роль в затоплении г. Крымск отводилась Неберджаевскому водохранилищу. Приведем факты, опровергающие эти домыслы.

Неберджаевское водохранилище построено на р. Неберджай (Линки) в 8,2 км от ее истока. Расположено на северном склоне Маркотхского хребта в 10 км от г. Новороссийск и служит для него источником водоснабжения [1]. Ежедневный отбор воды из водохранилища для жителей г. Новороссийск составляет до 27 тыс. м³ в сутки при общей потребности около 130 тыс. м³. Неберджаевское водохранилище введено в эксплуатацию в 1959 г., первая его реконструкция осуществлена в 1963 г. За 6 и 7 июля в районе водохранилища выпало 292 мм осадков. До этого почти более чем за 50-летний период максимум был установлен в 191 мм. На 14.00 6 июля 2012 г. уровень воды в нем находился на отметке 177,1 м, т.е. ниже отметки порога шахтного водосброса (182,0 м) на 4,9 м. Объем воды в Неберджаевском водохранилище составлял на этот период 3,58 млн. м³, т.е. меньше чем при нормальном подпорном уровне (НПУ, млн. м³) [1] на 3,06 млн. м³. Сброс через шахтный водосброс Неберджаевского водохранилища начался только в 5.45 7 июля 2012 г., когда собственно основная масса людей в г. Крымск уже погибла. Шахтный водосброс Неберджаевского водохранилища в период июльского паводка работал в штатном режиме. Отметка уровня воды в водохранилище не достигла форсированного подпорного уровня (ФПУ=183,5 м) и максимально доходила до отметки 183,1 м (Н=1,10 м). К 14.00 7 июля 2012 г. уровень воды в водохранилище начал снижаться и составлял 182,9 м. За период с 5.45 до 15.00 7 июля 2012 г. через шахтный водосброс было сброшено 1,84 млн. м³ – это всего 3,2 % от объема воды, пришедшего 7 июля 2012 г. в Варнавинское водохранилище ( млн. м³), расположенного ниже г. Крымск. Основные причины больших человеческих жертв и значительного экономического ущерба июльского наводнения на Кубани освещены в работе [1]. Следует отметить, что по установленным данным следственным комитетом РФ «штормовое предупреждение» о возможном наводнении было получено главой Крымского района еще 5 июля в 13.31, в то время как основная фаза наводнения в г. Крымск проходила 7 июля 2012 г. с 2 до 4 часов. Неберджаевское водохранилище смягчило последствие июльского паводка 2012 г., так как аккумулировало более 3 млн. м³ воды.

Входная часть шахтного водосброса Неберджаевского водохранилища выполнена криволинейного очертания гребня воронки с радиусом м (рис. 1, 2). Водосливную воронку с водосливом кругового очертания в плане можно отнести условно к варианту с коническим участком, приведенному на рис. 3.

Рис. 1. Конструкция водосливной воронки шахтного водосброса Неберджаевского водохранилища:1 – струя при Н=2,39 м; 2 – струя при

Н=2,0 м; 3 – струя при Н=1,5 м; 4 – струя при Н=1,0 м; струя при Н=0,5 м

При истечении через круговой водослив-воронку с радиусом R, имеющий профиль, отвечающий нижней поверхности струи при отсутствии подтопления со стороны последующего водосбросного тракта (шахта – колено – туннель) возможны следующие режимы работы [3]:

– неподтопленный водослив;

– подтопленный водослив (пропускная способность снижается);

– затопленная воронка;

- сильно затопленная воронка (здесь Н – напор на водосливе).

Рис. 2. Фрагмент водосливной воронки

Рис. 3. Схема шахтного водосброса с водосливной воронкой с коническим участком [3]: 1 – ось струи; 2 – вертикальная шахта; 3 – отводящий туннель

Для рассматриваемого сооружения величина напора может колебаться от 0 (при отметке гребня на уровне НПУ 182.00 м) до 2,39 м (при отметке ФПУ 184.39 м и отметке гребня плотины 185.00 м).

К характеристике, которая определяет гидравлический режим в воронке относят точку схода струй .

При и отсутствии подтопления водослива за воронкой напорного водосливного трака расход воды Q, м³/с, при отсутствии на гребне бычков равен

где m – коэффициент расхода, который зависит от отношений и и может быть принят по [3, рис. 10.29], ;

- напор воды на гребне водослива с учетом скорости подхода, в расчетах можно приять в первом приближении , м.

При анализе пропускной способности шахтного водосброса Неберджаевского водохранилища за основу была принята водосливная воронка с коническим участком с уклоном с радиусом по гребню R=8,0 м, диаметром вертикальной шахты м, отводящим туннелем с диаметром м и длиной 165,55 м (см. рис. 1 и 3), напор на водосливе H=0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 2,39 м.

Для выполнения поверочного расчета за основу приняты основные положения, приведенные в [3 – 6].

Расчет начинают с установления координат точек x и у участка водосливной воронки по уравнению

,

где - средняя скорость в конце конической части, м/с.

Начало координат назначают в центре тяжести струи в конце конической части в точке О (см. рис. 1). Значения x изменяются от 0 до (здесь - радиус в конце конической части).

,

где L – длина конической части воронки.

Средняя скорость в конце конической части [2]

,

где - глубина воды в конце конической части, м.

Во избежание самозатопления воронки должно выполняться условие [3].

Длина конической части

.

Примерная средняя скорость для точек по оси струи до места слияния струй может быть определена по зависимости [2]

,

где y – переменная ордината, м;

- коэффициент скорости.

Толщина струи на криволинейном участке h по [2] составит

Ниже приводится расчет водосливной воронки при напоре на гребне Н=1,5 м, R=8,0 м и m=0,36.

- расчетный расход

м³/с;

- глубина воды в конце конической формы

м;

- длина конической части

м;

- радиус

м.

Так как м, то самозатопление воронки не будет.

- скорость в конце условной конической части

м/с.

Все расчеты по определению координат точек по оси струи (x и y), средней скорости в точках (V) и толщину струи (h) сводим в табл.

Таблица – Параметры струи водосливной воронки при R=8 м и Н=1,5 м

x, м	0,0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
y, м, по формуле (2)	0,0	0,125	0,358	0,699	1,148	1,701	2,369	3,147	4,03
V, м/с, по формуле (6)	4,93	5,16	5,56	6,10	6,74	7,46	8,25	9,08	9,93
h, м, по формуле (7)	1,01	1,07	1,13	1,19	1,27	1,41	1,64	2,10	3,23

В результате графического построения находится точка схода струй с водослива, для которой ордината м (см. рис. 1, кривая 3).

Аналогично с расчетом гидравлических характеристик водосливной воронки для напоров Н=0,5; 1,0; 2,0 и 2,39 м получены расходы соответственно 29,9; 82,35; 226,7 и 296 м³/с и ординаты схода струй (см. рис. 1, кривые 5, 4, 2). При напоре Н=0,5 м не будет наблюдаться слияния струй.

По результатам проведенных гидравлических расчетов водосливной воронки шахтного водосброса Неберджаевского водохранилища построены: график зависимости пропускаемых расходов от напоров на водосливе (рис. 4) и график зависимости точки схода струй с водослива от пропускаемых расходов (рис. 5).

Выводы

1. При отсутствии подтопления со стороны шахты и водопроводящей части (туннеля) через водосливную воронку можно пропустить расход до 296 м³/с при напоре на водосливе Н=2,39 м. Точка сход струй м и самозатопление воронки не будет. Однако этот расход недопустим, т.к. в связи с конструктивными особенностями туннеля через сооружение может быть пропущен расход до 108 м³/с (расчет здесь не приводится) при напоре Н до 1,2 м.

2. При расходе до 50 м³/с, проходящем через водосливную воронку, слияния струй не будет наблюдаться, т.е. имеет место безнапорный режим в шахте.

Рис. 4. График зависимости расходов от напоров на гребне водослива при R=8,0 м

Рис. 5. График зависимости ординаты схода струй от пропускаемых расходов при R=8,0 м

Литература

1. Волосухин В.А. Наводнения на Кубани: проблемы и задачи / В.А. Волосухин, О.М. Щурский // Гидротехника, 2012. - № 4(29). – С. 6 – 9.

2. Волосухин В.А. Наводнение в п. Новомихайловский Краснодарского края / В.А. Волосухин, Е.А. Чижов, А.Е. Чижов и др. // Гидротехника, , 2012. - № 4(29). – С. 10 – 13.

3. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. – Изд. 4-ое, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1972. – 312 с.

4. Кириенко, И.И. Гидротехнические сооружения. Проектирование и расчет: учеб. пособие/ И.И. Кириенко, Ю.А. Химерик. – К.:Вища шк. Головное издательство, 1987. – 253 с.

5. Слисский, С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений: учеб. пособие /С.М. Слисский – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 304 с.

6. Мелиорация и водное хозяйства. Сооружения. Строительство: Справочник / И.С. Румянцев, Б.М. Кизяев, В.Н. Басс и др. Под ред. А.В. Колганова и П.А. Поладзе. – М.: «Ассоциация Экост», 2002. – 601 с.