Эффективное техническое обслуживание сопрягающих сооружений магистральных каналов. Научный обзор

ского), выбор которых осуществляется в зависимости от значений сбрасы-

ваемого расхода и параметров до и после участка сопряжения При устройстве на концевом участке носка-уступа в зависимости от

его высоты, положения уровня нижнего бьефа, значений сбрасываемого расхода и параметров потока до и после участка сопряжения в нижнем бьефе возможны как донные, так и поверхностные режимы. Их последова-

тельная смена происходит через критические режимы. Различают четыре основных вида критических режимов: первый, разграничивающий режимы донный и поверхностный с незатопленным прыжком; второй, разграничи-

вающий поверхностные режимы с незатопленной и затопленной струей;

третий, разграничивающий режимы поверхностный с незатопленной стру-

ей и поверхностно-донный; четвертый, характеризующийся сменой по-

верхностного режима донным восстановлением или наоборот [7-9].

При гашении энергии потока по схеме отброшенной струи постепен-

ный подъем отметок уровня нижнего бьефа до отметок носка-трамплина приводит к возникновению одного из видов поверхностного режима.

К наиболее распространенным и часто реализуемым схемам гашения относится сопряжение бьефов при донном режиме. Его недостаток – нали-

чие значительных и медленно затухающих по длине донных скоростей и вращения в вальце плавающих тел (в том числе льда), могущих повредить поверхности сооружения.

Применение поверхностного режима сопряжения позволяет значи-

тельно облегчить крепление, а также создать благоприятные условия для сброса льда.

Этот режим рационален в тех случаях, когда он может быть создан без значительного заглубления отметок крепления и подошвы канала.

К недостаткам этого режима, в определенной степени ограничивающим его широкое применение, следует отнести неустойчивость границ надеж-

ного существования его различных форм; невозможность его создания при малой высоте носка-уступа; неизбежность возникновения значительных

11

колебаний уровня нижнего бьефа (раскачка бьефа); необходимость в отно-

сительно больших глубинах нижнего бьефа.

Если глубина нижнего бьефа значительно меньше второй сопряжен-

ной глубины (или меньше глубины, определяющей нижнюю границу по-

верхностного режима) и одновременно концевая часть сооружения распо-

лагается на основании, характеризующемся значительной устойчивостью против размыва, целесообразно применять схему сопряжения с отбросом струи с носка-трамплина. Основное достоинство этой схемы – устойчивый и гидравлический ясный режим сопряжения. К недостаткам ее относят: не-

упорядоченный характер течения в нижнем бьефе в начальный период эксплуатации сооружения; необходимость предварительного устройства ямы размыва (до ее полного формирования и образования отмостки); отно-

сительно высокую степень неравномерности распределения удельных рас-

ходов по ширине нижнего бьефа: эксплуатационные затруднения, вызван-

ные разбрызгиванием струй и образованием водяной пыли; сложность размещения сливной поверхности для разгона струи и трамплина на низо-

вой грани каналов; опасность нарушения устойчивости склонов, вызван-

ную образованием глубокой воронки размыва (особенно в узких створах) [7, 8].

Интенсификация процесса гашения и улучшения режима сопряжения бьефов с благоприятным перераспределением скоростей достигается специ-

альными конструктивными мерами: применением гасителей энергии и рас-

щепителей потока; устройством энергогасящих диффузоров, искусственных шероховатостей, пирсов-гасителей на водосливных гранях, камер гашения и устройств для соударений струй в пределах транзитной части водопропуск-

ного сооружения; увеличением ширины живого сечения потока и уменьше-

нием удельных расходов в начале участка сопряжения и т. д. [4].

Как правило, движение сбрасываемого потока в нижнем бьефе со-

провождается его резким расширением в плане. Параметры этого расши-

рения обусловлены плановыми очертаниями берегов и расположением во12

допропускного сооружения относительно русла реки. Резкое плановое расширение неизбежно сопровождается отрывом потока от стенок соору-

жения и возникновением водоворотных зон. Это приводит к разделению потока на транзитную часть, в которой перемещается основная масса воды,

и нетранзитную – водовороты.

Движение транзитной части возможно в двух формах: в виде плав-

норасширяющегося в плане потока, соответствующего его режиму; в виде сбойного течения, характеризуемого постоянным изменением направления

(сбойность) практически нерасширяющейся струи. Границы транзитной части и параметры водоворотов устанавливают специальным гидравличе-

ским расчетом. Возникновение сбойности ухудшает условия сопряжения бьефов и создает неблагоприятную плановую картину течения потока.

Различают следующие формы сбойных течений: в виде резкого изменения направления потока после выхода его из сооружения в широкий нижний бьеф (b:B ≤ 0,8); в виде сжатия потока, вызываемого боковым натеканием воды из окружающих водоворотов [2-4].

2.2 Прогнозы местных размывов на сопрягающих сооружениях

Основное свойство реальной жидкости состоит в появлении тонкого слоя этой жидкости, движущегося вслед за погруженным в жидкость те-

лом. В тех случаях, когда жидкость с трением движется в канале, около поверхности такого канала появляется отстающий от основной массы тон-

кий слой жидкости. Толщина этого пограничного слоя пропорциональна квадратному корню из расстояния от начала канала. В протяженных кана-

лах такой слой может постепенно заполнить все поперечное сечение кана-

ла. Фактически такой эффект наступает значительно раньше из-за переме-

шивания жидкости (турбулентность) [10].

Движущаяся речная вода представляет собой не менее, чем двухком-

понентную смесь: собственно вода и переносимые ею частицы. Можно рассчитать концентрацию примесей в речной воде. Появление в жидкости

13

частиц примеси (наносов) обусловлено взаимодействием жидкости с по-

верхностью грунта.

Для анализа влияния жидкости на грунт канала необходимо знать кинематические параметры жидкости в канале. К настоящему времени от-

сутствуют универсальные зависимости, позволяющие рассчитывать эти параметры. Исследования, проведенные различными авторами, позволили вывести некоторые формулы, позволяющие рассчитывать скорость воды в канале в зависимости от ряда показателей, характеризующих индивиду-

альные особенности канала: коэффициент условий работы, учитывающий наличие наносов в коллоидном состоянии, средний диаметр частиц грунта и пр. [11].

Располагая информацией об индивидуальном устройстве канала,

можно получить требуемую картину распределения скоростей частиц жидкости по вертикали его плоского сечения.

При невозможности получения исчерпывающих сведений о строении канала (к примеру, геометрии дна и стенок, всех геотехнических характе-

ристик грунта) ставится задача численного моделирования движения жид-

кости в канале. Такая задача требует составления математической модели движения жидкости. Движение жидкости, в общем случае, должно описы-

ваться системой уравнений в частных производных. Система таких урав-

нений лишь в частных случаях может иметь аналитическое решение.

Обыкновенно к таким задачам применяют численные методы [11].

Рассмотрим общий случай движения жидкости в канале. Скорость движения частицы жидкости, находящейся в геометрической точке

M(x, y,z), подчиняется уравнению [11]:

где А – коэффициент турбулентного обмена;

V – скорость движения частицы жидкости, м/с;

K – коэффициент пропорциональности;

14

С – коэффициент Шези;

I– уклон водной поверхности;

i– уклон дна;

g – ускорение свободного падения, м/с2; h – глубина измерения, м.

Направление осей выбирается следующим образом: абсцисса x

направляется вдоль потока, ордината y отсчитывается от динамической

Для упрощения расчетов заменим значение квадрата скорости на пе-

ременную u, м/с [11]:

Некоторый интерес представляет одномерное (вертикальное) рас-

пределение скорости жидкости [12-14]:

15

Уравнения (1)-(7), дополненные граничными условиями, позволяют

рассчитать картину распределения скоростей жидкости в простейшем, од-

номерном случае, в плоско-вертикальном и в наиболее общем трехмерном случае.

Существует множество эмпирических зависимостей для распределе-

ния скоростей по вертикали водного потока. Такие зависимости обыкно-

венно имеют форму параболы второго порядка, гиперболы, эллипса, лога-

рифмики и пр.

Наиболее популярным является эмпирическое распределение

Базена [13]:

Степанс-Коллупайло получил зависимость скорости точек рассмат-

риваемой вертикали потока воды в параболической форме, ось которой вертикальна [15]:

где – эмпирический параметр;

n – коэффициент шероховатости.

Для определения скорости воды в канале существует вертикальное

16

где m – функция Шези.

Среди эмпирических зависимостей можно выделить логарифмиче-

ское соотношение, вытекающее из теории турбулентности Прандтля-

где τ – касательное напряжение около дна, кг/мм2;

ρ– плотность воды, кг/м3;

– константа Кармана;

Z – высота точки наблюдения над дном [11].

Для равномерных потоков V , см/с, можно вычислить по формуле

В исследовании Г. В. Железнякова [9] было установлено, что кон-

станта Кармана не совсем константа. К ее вычислению он вывел зависи-

где – параметр, характеризующий степень неоднородности донных на-

носов:

17

Обработка экспериментальных данных позволила М. А. Великанову и Н. М. Бочкову получить формулу расчета начальной скорости влечения

d – диаметр зерен наносов, мм.

Простота этой зависимости обеспечила ей длительную практику ис-

пользования в расчетах сооружений и рек. Из анализа данного соотноше-

ния можно сделать вывод о неучитывании глубины канала вследствие ма-

лых размеров испытательного стенда.

Для несвязанных и неоднородных грунтов В. Н. Гончаров [4] полу-

чил следующую формулу начальной скорости трогания их зерен:

где d – диаметр зерен грунта, мм.

Для обработки большого объема эмпирически полученных данных

18

Г. И. Шамов разработал формулу предельных скоростей трогания зерен:

где – параметр, характеризующий степень неоднородности донных на-

носов.

Обобщение, проведенное Доу Гоженем [2] на основе накопившегося теоретического и экспериментального материала по исследованиям на-

чальных скоростей трогания зерен грунта, дало следующую зависимость:

где Ha – атмосферное давление, мм вод. ст.;

δ– толщина одного слоя молекул воды, м.

Однако эти распределения учитывают недостаточный объем пара-

метров системы естественных и рукотворных водных потоков, чего нельзя

сказать о соотношениях акад. Ц. Е. Мирцхулавы [7].

Вобщем случае движение водного потока является переменным.

Вмалых искусственных сооружениях расход потока по всей длине соору-

жения считается постоянным, иногда оно нарушается, и появляется пере-

менный расход потока.

Для переменного движения жидкости существует величина удельной энергии [2]:

где Э – удельная энергия;

a – безразмерный параметр;

v– скорость частицы жидкости, м/с; Q – расход воды, м3/с;

w– площадь живого сечения, м2.

Эта энергия, причиной которой является наличие гидродинамиче19

ского напора, отсчитывается от нижней точки дна поперечного сечения канала.

Глубина водного потока, по достижении которой минимизируется удельная энергия рассматриваемого сечения при известном расходе пото-

ка, называется критической глубиной hкр . Такое состояние потока, при ко-

тором h hкр , является критическим.

Для любой формы сечения потока его критическое состояние описы-

Bкр g

где wкр – критическая площадь живого сечения потока, м2, откуда

Q2B

wкр 3 кр , (26) g

где Bкр – критическая ширина свободной поверхности потока, м.

Рассмотрение прямоугольного сечения канала позволяет получить следующее выражение для его критической глубины hкр , м [11]:

Исследование трапецеидального сечения канала приводит к следую-

щей формуле [11]:

где m – коэффициент заложения откоса,

где hкп – критическая глубина прямоугольного сечения канала, м; b – общая ширина дна для трапеции и прямоугольника, м;

m2h2

В первом приближении, отбросив слагаемые 0,105 кп b2

20