Строительство и архитектура / 7. Водоснабжение и канализация

Д.т.н. Румянцев И.С., аспирант Кловский А.В.

ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А.Тимирязева», Россия

Результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты

Как известно, одной из наиболее сложных к решению эксплуатационных проблем, характерных для водозаборных гидроузлов всех типов, является обеспечение надежной защиты водоприемника от завлечения взвешенных и донных наносов, транспортируемых речным потоком. Весьма эффективно с задачей отклонения наносов от водоприемника при водозаборе справляются донные циркуляционные пороги. Данные противонаносные элементы за счет перераспределения удельных расходов по ширине подводящего русла создают в потоке искусственную поперечную циркуляцию (ИПЦ), изменяющую характер движения наносов в зоне влияния защищаемого водозаборного сооружения в нужном для практики направлении.

Несмотря на сравнительно большое количество лабораторных и натурных исследований работы донных циркуляционных порогов, рекомендации по их устройству носят весьма неоднозначный и даже противоречивый характер. Принципиальными здесь являются вопросы целесообразности устройства порогов переменной высоты, а также их рациональной плановой ориентации относительно береговой линии [1].

В этой связи проведение детальных лабораторных исследований гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов с целью выявления фактического характера их взаимодействия с русловым потоком и последующей разработки уточненной методики по их проектированию и эксплуатации является весьма актуальным.

Проведенный нами анализ компоновочных схем бесплотинных водозаборов, зарекомендовавших себя надежной работой в тяжелых наносных и гидрологических условиях, показал, что одним из наиболее эффективных и вместе с тем простых в конструктивном и эксплуатационном отношении противонаносных элементов в их составе является донный циркуляционный порог конструкции Г.В.Соболина-И.К.Рудакова [1,2]. Такой порог, расположенный под некоторым углом к берегу, эффективно перераспределяя удельные расходы по ширине подводящего русла, формирует в потоке искусственную поперечную циркуляцию (ИПЦ), способствующую эффективному отклонению русловых наносов от водоприемного отверстия. За критерий оценки эффективности возбуждения ИПЦ исследователями была принята относительная величина смещения динамической оси потока , где разница в положении центров масс эпюр удельных расходов в створе порога и на участке, находящемся вне зоны влияния порога, ширина подводящего русла.

Помимо искусственной поперечной циркуляции активную противонаносную функцию выполняют также защитные винтовые течения вдоль верховой и низовой граней порога, формируемые последним как обтекаемой потоком затопленной преградой [1,2]. Интенсивность всех трех защитных течений зависела в общем случае от угла расположения порога к линии берега , относительной высоты донного порога (высота донного порога в его средней части, глубина воды бытового русла), величины стеснения потока (геометрическая длина порога), средней скорости потока , уклона верхней грани порога .

Принимая во внимание сложность и многофакторность изучаемых явлений, а также выявленные противоречия в имеющихся рекомендациях по выбору оптимальных планово-геометрических характеристик донных циркуляционных порогов, нами было принято решение о проведении серии лабораторных исследований.

Целью настоящих исследований являлось изучение гидравлических условий работы донных циркуляционных порогов постоянной и переменной высоты в широком диапазоне граничных условий (; ; ) при различных скоростях модельного потока, а также составление на основе полученных данных экспериментальных зависимостей для оценки эффективности работы донных циркуляционных порогов в рамках разрабатываемой уточненной методики по проектированию и эксплуатации последних в составе бесплотинных водозаборных гидроузлов.

Анализ результатов исследований гидравлических условий работы фронтальных донных циркуляционных порогов , выполненных авторами настоящей статьи, показал, что пороги переменной высоты возбуждают в потоке более устойчивую поперечную циркуляцию в сравнении с порогами постоянной высоты во всем диапазоне граничных условий [3]. Вместе с тем придание верхней грани порога переменной высоты не снижает интенсивности защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога [4]. Это положение справедливо как для фронтальных донных циркуляционных порогов, так и для косонаправленных донных циркуляционных порогов [2,4]. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на выявление степени влияния угла для порогов переменной высоты на характер изучаемых явлений.

Результаты исследований гидравлических условий работы косонаправленных донных циркуляционных порогов, расположенных под углами и к береговой линии свидетельствовали о снижении интенсивности формируемой в потоке ИПЦ при уменьшении угла наряду с некотором усилением защитных функций винтовых течений в створе преграды.

В настоящей статье приведены результаты исследований косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты, расположенных под углом к береговой линии. В рамках данной серии опытов было необходимо решить следующие задачи:

- для порогов рассматриваемой конструкции выявить:

1) характер влияния угла установки порога к береговой линии на эффективность возбуждения поперечной циркуляции для рассматриваемого диапазона граничных условий работы преграды;

2) характер влияния относительной высоты порога на интенсивность формируемой в потоке ИПЦ для каждого из рассматриваемых значений ;

3) характер влияния относительной средней скорости потока на интенсивность формируемой в потоке ИПЦ для каждого из рассматриваемых значений , где максимальное значение средней скорости потока в условиях эксперимента;

4) характер влияния величины стеснения потока на интенсивность формируемой в потоке ИПЦ в широком диапазоне значений и ;

Запроектированная и построенная нами для проведения лабораторных исследований экспериментальная установка представляет собой гидравлический лоток прямоугольного сечения шириной 1м и длиной рабочей части 9 м (рис. 1). Учитывая сложность изучаемых явлений, оценка эффективности работы порогов проводилась “в чистом виде” – в условиях недеформированного отводом потока [3,4].

Ввиду отмеченного предыдущими исследователями диапазона эффективности работы донных циркуляционных порогов , возможностей лабораторной установки и необходимости оценки объективности полученных результатов нами были исследованы 5 режимов работы каждого типа порога:

1)

2)

3)

4)

5)

Величина стеснения потока в условиях проведения эксперимента принимала значения 0,2; 0,35; 0,5; 0,65; 0,8. В зависимости от менялся и уклон верховой грани порога , находившийся в пределах от 0,0177 до 0,0707.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

1 – водоприемный бак, 2 – успокоительная решетка, 3- шпиценмасштаб, 4 – мерный водослив, 5 – успокоительная конструкция, 6 – лоток, 7 – подвижные шпиценмасштабы, 8 – микровертушка, 9 – косонаправленный донный циркуляционный порог, 10 – область установки порогов, 11 – жалюзный затвор, 12 – сбросной колодец.

Для определения величины смещения динамической оси потока для значений микровертушкой промерялись скорости на 11 вертикалях в створе порога. Для величин стеснения потока и вводилась дополнительная 12 промерная вертикаль на удалении 35 см и 65 см от места примыкания порога к борту лотка соответственно. Глубины в расчетных створах промерялись при помощи шпиценмасштаба. По полученным данным были построены эпюры удельных расходов в створе порога, имевшие в каждом случае смещение центра тяжести относительного оси симметрии подводящего русла. После для каждого расчетного случая определена относительная величина смещения динамической оси потока как один из основных показателей интенсивности возбуждаемой в потоке поперечной циркуляции [3]. Полученные графики и зависимости для порогов постоянной и переменной высоты приведены на рис. 2.

На основании анализа полученных экспериментальных данных нами была дана следующая оценка работы косонаправленных донных циркуляционных порогов:

1) с уменьшением угла происходит дальнейшее снижение интенсивности формируемой в потоке искусственной поперечной циркуляции, что негативно сказывается на наносозащитных свойствах порогов рассматриваемой конструкции.

2) для угла установки порога при для всех рассматриваемых значений происходит значительное смещение динамической оси потока в сторону перекрытой порогом части русла, свидетельствующее о возникновении в потоке ИПЦ обратного направления, что резко ухудшает защитные свойства порога при данном гидравлическом режиме работы преграды.

3) графики зависимостей для донных циркуляционных порогов рассматриваемой конструкции свидетельствуют о влиянии факторов и на интенсивность возбуждаемой ИПЦ, причем степень влияния весьма значительна для величин стеснения потока .

Краткие выводы.

Дальнейшее уменьшение угла несколько снижает интенсивность искусственной поперечной циркуляции, формируемой в потоке порогами рассматриваемой конструкции. Отметим также увеличение степени влияния средней скорости основного потока на характер изучаемых явлений.

Важным обстоятельством является резкое снижение защитных функций ИПЦ при высоких горизонтах воды в реке, например в паводок. Данное положение, выявленное в ходе экспериментальных исследований, будет учтено при составлении уточненной методики по проектированию и эксплуатации донных циркуляционных порогов в составе речных бесплотинных водозаборных гидроузлов.

а)

б)

Рис. 2. Косонаправленные донные циркуляционные пороги переменной высоты : а) – функциональные зависимости для рассматриваемых значений при ; б) – функциональные зависимости для рассматриваемых значений при .

Литература:

1. Румянцев И.С., Кловский А.В. Научный обзор изученности вопросов проектирования и безнаносной эксплуатации бесплотинных водозаборных гидроузлов. // Международный технико-экономический журнал. – 2014. – №2. – С.101-106.

2. Соболин Г.В. Борьба с наносами при водозаборе в каналы оросительных систем горно-предгорной зоны: Дис. … доктора техн.наук. – М., МГМИ, 1987. – 425 с.

3. Кловский А.В. Результаты исследований гидравлических условий работы фронтальных донных циркуляционных порогов. // Международный научный журнал. – 2014. – №3. – С.77-83.

4. Румянцев И.С., Кловский А.В. Результаты исследований скоростного режима защитных винтовых течений в створе фронтальных донных порогов. Приволжский научный журнал. – 2014. – №2. – С.96-100.