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 скоростного режима защитных винтовых течений в створе косонаправленных донных циркуляционных порогов

Основной задачей, решаемой при проектировании и последующей эксплуатации всех типов водозаборных гидроузлов, является обеспечение забора расчетных расходов водотока с возможно меньшим завлечением в отвод взвешенных и донных наносов. Несмотря на обширный научный базис исследуемого вопроса, полностью решить проблему борьбы с наносами при отводе части речного потока пока не удалось. Связано это в первую очередь с чрезвычайным разнообразием и сложностью гидрологических и наносных условий работы водозаборных гидроузлов [1].

Обеспечение качественного водозабора и водоподачи может быть достигнуто за счет внедрения в состав компоновочных схем водозаборных гидроузлов различных противонаносных устройств и элементов. В этой связи проведение детальных лабораторных исследований гидравлических условий работы таких простых и эффективных противонаносных элементов как донные циркуляционные пороги 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 эффективных компоновочных схем бесплотинных водозаборов показал, что в сложных эксплуатационных условиях хорошо себя зарекомендовали донные циркуляционные пороги конструкции Г.В.Соболина-И.К.Рудакова [1,2]. Предложенная авторами конструкция донного порога, эффективно перераспределяя удельные расходы по ширине подводящего русла, способствовала возбуждению в потоке искусственной поперечной циркуляции (ИПЦ), изменяющей характер движения наносов в зоне влияния защищаемого водозаборного сооружения в нужном для практики направлении.

Помимо ИПЦ активную противонаносную функцию выполняют защитные винтовые течения вдоль верховой и низовой граней порога, формируемые последним как обтекаемой потоком затопленной преградой. По словам В.С.Бондаренко “гидродинамическая структура потока при его взаимодействии с затопленными преградами до сих пор недостаточно исследована и освещена в литературе” [3]. По данным автора интенсивность защитных винтовых 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 .

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].

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 [4]. Вместе с тем придание верхней грани порога переменной высоты не снижает интенсивности защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога [5]. Это положение справедливо как для фронтальных донных циркуляционных порогов, так и для косонаправленных донных циркуляционных порогов [2,5]. 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 об усилении защитных функций винтовых течений вдоль верховой грани порога ввиду уменьшения угла между осью донной преграды и направлением основного потока. Вместе с тем защитные функции винтовых течений вдоль низовой грани порога значительно снижались из-за смещения точки раздела течений к концу 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 интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога для рассматриваемого диапазона граничных условий работы преграды;

2) характер влияния относительной высоты порога на интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога для каждого из рассматриваемых значений ;

3) характер влияния относительной средней скорости потока на интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога для каждого из рассматриваемых значений , где максимальное значение средней скорости потока в условиях эксперимента;

4) характер влияния величины стеснения потока на интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога 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 [4,5].

Ввиду отмеченного предыдущими исследователями диапазона эффективности работы донных циркуляционных порогов , возможностей лабораторной установки и необходимости оценки объективности полученных результатов, в частности путем сопоставления с экспериментальными данными других исследователей, 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.

В соответствии с разработанной В.С.Бондаренко методикой изучения скоростного режима защитных винтовых течений на гидрометрических створах, расположенных на расстоянии 1 см от верховой и низовой граней порога, выделялись 7 промерных вертикалей [3]. Началом координат в каждом случае являлась середина порога, створы располагались через , где полудлина порога. На графиках, представленных на рис. 3, знак “-” на оси абсцисс соответствует створам, расположенным выше по течению относительно начала координат, знак “+” – створам, расположенным ниже по течению относительно начала координат. В намеченных вертикалях микровертушкой промерялись продольные составляющие скоростей винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порога в середине его высоты (центре винта) для каждого из 5 режимов. Ввиду характерных для винтовых течений пульсаций далее будем вести речь об осредненных величинах продольных скоростей [5].

За критерий оценки эффективности работы порога было принято соотношение продольных составляющих скоростей защитных винтовых течений вдоль его верховой и низовой граней и средней скорости основного потока для данного экспериментального режима. Отрицательные значения величины свидетельствуют о перемещении масс жидкости в направлении борта лотка, положительные – в сторону не перекрытой порогом части лотка.

Результаты исследований скоростного режима защитных винтовых течений вдоль верховой и низовой граней порогов рассматриваемой конструкции свидетельствуют о сложности изучаемых нами явлений. Для угла установки порога каждая величина стеснения потока характеризовалась собственной, отличной от остальных интенсивностью защитных течений за низовой гранью порогов. Причем для постоянной величины наносозащитные функции винтовых течений были различны для каждого из гидравлических режимов работы преграды. И если интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой грани порога для каждой величины стеснения потока во всем диапазоне изменения гидравлических условий работы преграды изменялась незначительно, то кинематическая структура потока за донными порогами рассматриваемой конструкции в каждом случае была в некоторой степени уникальна.

На рис. 2 приведены графические зависимости вида , построенные по осредненным значениям продольных составляющих скоростей винтовых течений вдоль верховой грани порогов для каждой величины . Ввиду невозможности осреднения полученных значений интенсивностей защитных винтовых течений вдоль низовой грани порогов на рис. 3.а-3.д представлены графические зависимости вида , построенные для каждой величины стеснения потока во всем диапазоне гидравлических режимов работы преграды.

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

1) с уменьшением угла установки порога растет интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой грани порога в его центральной части. Скорости винтового течения по всей длине преграды направлены в сторону не перекрытой порогом части русла, что способствует повышению защитной функции данной гидравлической структуры потока.

2) защитные функции винтовых течений вдоль низовой грани порога при рассматриваемом расположении преграды резко снижаются: для угла скорости винтового течения по всей длине преграды направлены в сторону корня порога. Отметим также, что структура данных винтовых течений значительно трансформируется при изменении гидравлического режима работы донных циркуляционных порогов рассматриваемой конструкции для каждой величины стеснения потока и не поддается сколько-нибудь достоверному прогнозированию.

Краткие выводы.

Интенсивность защитных винтовых течений вдоль верховой грани порогов рассматриваемой конструкции увеличивается, что связано как с ростом скоростей винтовых течений по абсолютной величине в центральной части преграды, так и с направлением винтового течения по все длине порога в сторону не перекрытой части русла.

Достоверная оценка защитных функций винтовых течений вдоль низовой грани донных циркуляционных порогов рассматриваемой конструкции ввиду их неустойчивости во времени не представляется возможной.

Рис. 2. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль верховой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты

Рис. 3.а. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль низовой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты при

Рис. 3.б. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль низовой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты при

Рис. 3.в. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль низовой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты при

Рис. 3.г. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль низовой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты при

Рис. 3.д. Скоростной режим защитных винтовых течений вдоль низовой грани косонаправленных донных циркуляционных порогов переменной высоты 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. Бондаренко В.С. Разработка и исследование бесплотинного водозабора для рек с тяжелым наносным и гидрологическим режимами: Дис. ...канд.техн.наук. – Новочеркасск, НИМИ, 1975. – 184 с.

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

5. 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.