Вибір оптимальної конструкції нижнього б’єфу шлюзів-регуляторів в умовах утворення білякритичних течій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вибір оптимальної конструкції нижнього б'єфу шлюзів-регуляторів в умовах утворення білякритичних течій

Рябенко О.А., д.т.н., професор, Клюха О.О., к.т.н., ст. викладач

Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Чернобиль О.Є., керівник групи науково-дослідного відділу ВАТ «Укргідропроект»

Проаналізовані сучасні тенденції використання різних типів шлюзів-регуляторів у водному господарстві України. На основі детальних лабораторних і натурних досліджень шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, вироблені рекомендації по вибору оптимальної конструкції гасителів енергії в нижньому б'єфі таких споруд, працюючих в умовах утворення білякритичних течій.

Present-day tendencies are analyzed of using various types of sluices-regulators in water economy of Ukraine. On the bases of detailed laboratory and on-site research sluices-regulators equipped with valve locks recommendations are worked out for selecting the optimal construction of energy sills in the tailrace canals of such structures operating under conditions of creating near-critical flows.

У водному господарстві широкого застосування набули різні типи шлюзів-регуляторів, які дозволяють надійно регулювати глибини і витрати водотоків, скидати надлишкові води, управляти гідравлічним і температурно-вологісним режимами гідромеліоративних систем, захищати береги річок від розмивів, управляти процесами річкової ерозії і т.п. [1-3].

В останні десятиріччя на Україні намітилася тенденція обладнання шлюзів-регуляторів клапанними затворами (рис.1). Такі затвори (з обертовим рухом відносно осі, розташованій на порозі) відносяться до типу затворів, що передають тиск на поріг та бики (стояни) споруди, і мають ряд переваг над затворами інших типів: відносно невелика маса і вартість, відсутність пазів у споруді, невелика висота биків і стоянів, простота і помірна вартість підйомних механізмів, сприятливі умови для пропуску льоду, плаваючих тіл та раптових зливових повеней над верхом затвора, простота операцій при маневруванні і т.п.

За даними інституту “Укрводпроект” [4] уже в 1975 р. із 280 регулюючих споруд з розрахунковими витратами 10 - 100 м3/с на осушувальних і осушувально-зволожувальних системах Українського Полісся 37 руслових споруд (тобто 13%) були обладнані клапанними затворами. А після реконструкції значної частини гідромеліоративних систем, побудованих у 50-і - 60-і роки минулого століття, з заміною ферм Корицького-Поаре та плоских затворів на клапанні, шлюзи-регулятори з клапанними затворами стали домінуючим типом регулюючих споруд на осушувальних і осушувально-зволожувальних системах України.

Вказані споруди будуються як за індивідуальними, так і типовими проектами, розробленими інститутом “Укрводпроект”. Найчастіше застосовуються одно- та двопрогінні споруди, хоча кількість прогонів може бути і більшою. Шлюзи-регулятори з клапанними затворами побудовані й успішно експлуатуються на таких річках і системах: Ірпінь, Здвиж, Трубіж, Броварка - Київської, Горинь, Іква, Стубла, Льва, Устя - Рівненської, Івотка, Феськівка, Убедь, Смолянка, Остер - Чернігівської, Івотка - Сумської, Тясьмин - Черкаської областей, а також у Житомирській, Волинській та інших областях [4].

Рис.1. Схема двопрогінного шлюза-регулятора: 1 - клапанні затвори, 2 типовий гаситель, 3 - додатковий гаситель

шлюз регулятор водний клапанний

Необхідно підкреслити, що при використанні таких споруд у вигляді водоскидів розрахункові витрати можуть бути досить великими. Так, наприклад, Воскодавський шлюз-регулятор на р. Горинь в Рівненській області, обладнаний 4 клапанними затворами з прогонами по 8,0 м, розрахований на витрати Q5%=640 м3/с і Q1%=1075 м3/с, а водозливна гребля на р. Везер біля м. Бремена (ФРН), обладнана 5 клапанними затворами з прогонами по 30,0 м, розрахована на витрату Q=3400 м3/с [5].

Накопичений водогосподарськими організаціями України багаторічний досвід експлуатації шлюзів-регуляторів з клапанними затворами показав, у цілому, досить надійну роботу цих споруд. Проте, в нижньому б'єфі деяких шлюзів-регуляторів описаної конструкції зафіксовані значні розмиви відвідного русла та руйнування елементів кріплення. Такі випадки спостерігалися на шлюзах-регуляторах №№ 5,7,8 системи “Ірпінь”, №№ 3,6 системи “Здвиж”, №1 системи “Іква” та ін. [6, 7].

Для встановлення причин руйнувань у нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, на кафедрі гідротехнічних споруд НУВГП у відповідності з замовленням Держводгоспу України були проведені спеціальні лабораторні та натурні дослідження роботи таких споруд.

Лабораторні дослідження проводилися на двох експериментальних установках, побудованих відповідно в масштабах 1:14,0 та 1:18,2 до натурних розмірів типових проектів ШРП (82,5…30,5) 1 та ШРП (52…2,5) 2 одно- і двопрогінних споруд, розрахованих на пропуск максимальних натурних витрат Qmax1пр = 49,5 м3/с і Qmax2пр = 129,0 м3/с. У проведених дослідах при різних витратах, висотах підняття затворів, типах гасителів надлишкової енергії потоку, конструкціях спряження споруди з відвідним руслом, глибинах нижнього б'єфу досліджувалися отримувані типи режимів спряження б'єфів, визначалося положення кривої вільної поверхні та п'єзометричної лінії, вивчалася кінематична структура потоку в нижньому б'єфі. При цьому обриси кривої вільної поверхні та п'єзометричної лінії для однопрогінного регулятора визначалися по осі споруди, а для двопрогінного - по осі лівого водоскидного отвору.

Положення кривої вільної поверхні потоку вимірювалося шпіценмасштабом, а п'єзометричної лінії - донними п'єзометрами. На моделі однопрогінного регулятора було встановлено 82, а на моделі двопрогінного - 80 донних п'єзометрів, розміщених з інтервалом у 5,0 см. Вимірювання швидкостей здійснювалося мікровертушками типу ТНІСГЕІ Х-6 (з діаметром лопатевого гвинта 6мм) в комплексі з лічильником імпульсів системи НІМІ.

Проведені лабораторні дослідження дозволили встановити, що однією з причин вищеописаних руйнувань нижнього б'єфу шлюзів-регуляторів є утворення білякритичних течій з хвилеподібною поверхнею, що формуються за певних умов як при повністю опущених на дно клапанних затворах, так і при їх проміжному положенні [6]. Характерно, що довжина ділянки потоку з хвилеподібною поверхнею досить велика і значно перевищує сумарну довжину водобою та рисберми, яка приймається згідно з типовими проектами. Наявність хвиль значної висоти на поверхні потоку є причиною формування несприятливої кінематичної структури потоку, яка пов'язана з періодичним чергуванням максимальних швидкостей в перерізах під підошвами хвиль та мінімальних швидкостей в перерізах під вершинами хвиль.

Характери зміни по довжині потоку поздовжньої компоненти придонних осереднених та максимальних актуальних швидкостей при утворенні хвилеподібних білякритичних течій, отриманні для плоских [8] та просторових умов нижнього б'єфу однопрогінних [9] та двопрогінних [10] шлюзів-регуляторів, добре узгоджуються між собою. Порівняння цих даних з результатами дослідів М. М. Біляшевського, М. Г. Пивовара, О.Я. Олійника для хвилястого стрибка, що утворювався в нижньому б'єфі низьконапірного щитового водоскиду, як в якісному, так і кількісному відношенні, показало їх добру відповідність.

Натурні досліди, проведені на шлюзах-регуляторах №8 і №12 Ірпінської, №4 і №14 Здвижської систем, №1 системи “Іква”, №2 системи “Стубелка” [6, 7, 13] підтвердили результати лабораторних досліджень і показали, що в нижньому б'єфі досліджуваних споруд у досить широкому діапазоні умов їх роботи виникають білякритичні течії з хвилеподібною поверхнею.

Внаслідок недостатньої вивченості проблеми такі режими роботи розглядуваних споруд раніше, як правило, проектувальниками не враховувались, через що передбачені типовими проектами конструкції гасителів енергії виявляються неефективними при виникненні хвилеподібних білякритичних течій. У цих випадках гасителі енергії не забезпечують формування в межах водобою проектного режиму з досконалим гідравлічним стрибком та інтенсивним погашенням надлишкової енергії потоку. Утворювані при цьому хвилі значної висоти “обминають” донний гаситель, обтікаючи його зверху, і розповсюджуються на значну довжину в сторону нижнього б'єфу, спричиняючи негативні дії на елементи споруд та частинки ґрунту, що призводить до руйнування нижнього б'єфу [6, 14]. Зауважимо, що подібні випадки обтікання донних гасителів потоком з хвилеподібною поверхнею без утворення поверхневих вальців і з поширенням хвиль у сторону нижнього б'єфу описані в роботах [11, 12].

На основі аналізу накопиченої інформації постало питання про необхідність розробки таких конструкцій гасителів енергії розглядуваних шлюзів-регуляторів, які б зменшували ймовірність виникнення в нижньому б'єфі хвилеподібних білякритичних течій, забезпечували б сприятливу кінематичну і динамічну структуру потоку, при якій би не відбувалися руйнування кріплення нижнього б'єфу та розмиви відвідного русла при всіх можливих гідравлічних умовах роботи цих споруд.

Розглядаючи зазначене питання стосовно найчастіше використовуваних на практиці одно- та двопрогінних шлюзів-регуляторів, необхідно виділити такі основні випадки:

проектування нових або реконструкція чи ремонт існуючих шлюзів-регуляторів без водобійних стінок в кінці берегових стоянів;

реконструкція чи ремонт існуючих шлюзів-регуляторів при наявності передбачених типовими проектами водобійних стінок в кінці берегових стоянів;

наявність чи відсутність уступа (перепаду) з пониженням дна на ділянці між водобоєм і рисбермою;

необхідність влаштування перехідної ділянки планового розширення, коли ширина відвідного каналу внизу більша за ширину регулятора;

можливість роботи двопрогінної споруди як при симетричному, так і несиметричному піднятті клапанних затворів.

Для розв'язання поставленого питання, у відповідності з замовленням Держводгоспу України, на вищеописаних моделях були проведені експерименти для вибору оптимальної конструкції нижнього б'єфу розглядуваних шлюзів-регуляторів з застосуванням різних типів гасителів та їх комбінацій. При цьому використовувалися гасителі, передбачені типовими проектами, суцільні і прорізні (типу зубців Ребока) водобійні стінки та стінки з вирізом посередині, призначеним для забезпечення більшої концентрації потоку по осі відвідного русла, а не біля укосів.

При вивченні кінематичної структури потоку особлива увага приділялась вимірюванням придонних швидкостей, які є одним із головних факторів, що впливають на стійкість елементів кріплення, та визначають розмивну здатність потоку. Положення вимірювальних придонних точок (на рис.3 позначених цифрами 1…9) вибиралися таким чином: перша і дев'ята - по урізу води, третя і сьома - в місцях перелому дна, п'ята - по осі каналу, а інші (парні точки) - відповідно посередині між названими. Нумерація точок велась від лівого борту. Враховуючи надзвичайно великий обсяг вимірювань, викликаний великою кількістю досліджуваних гасителів (10 шт.) та їх комбінацій, було вирішено скористатися дещо спрощеною методикою оцінки розмивної здатності потоку за придонними осередненими в часі швидкостями [11, 12].

У результаті проведених досліджень для всіх вищезазначених характерних випадків були підібрані оптимальні варіанти гасителів енергії, які істотно зменшують хвилеутворення в нижньому б'єфі та забезпечують сприятливу кінематичну і динамічну структуру потоку.

Як приклад на рис.1 показана рекомендована конструкція влаштувань нижнього б'єфу для випадку двопрогінного шлюза-регулятора при наявності типового гасителя (тобто закладеної в типовому проекті суцільної водобійної стінки, розташованої в кінці берегових стоянів), в якій передбачено влаштування додаткового гасителя, розміщеного на віддалі lг=hнб від кінця берегових стоянів, який має висоту hг=0.2hнб та виріз посередині, розташований симетрично осі споруди. Ширина вирізу bв=0,2bк, а його висота hв=0,05hнб, де hнб - глибина нижнього б'єфу при розрахунковій витраті, bк - ширина відвідного каналу внизу в місці влаштування додаткового гасителя.

Як видно з рис.2, застосування рекомендованого додаткового гасителя енергії призводить до істотного зменшення хвилеутворення в нижньому б'єфі. Крім того, додатковий гаситель забезпечує досить рівномірний розподіл питомих витрат по ширині відвідного русла.

Рис.2. Обриси кривої вільної поверхні (1) і п'єзометричної лінії (2) по осі лівого прогону (Q=100,0 л/с, Pл.з=Pп.з=0): а - при наявності типового гасителя (hВБ=16,4 см, hНБ=16,2 см); б - при наявності типового та додаткового гасителів (hВБ=16,1 см, hНБ=16,0 см)

Аналіз зображених на рис.3 епюр відносних придонних швидкостей (де осереднена в часі придонна швидкість у вибраній і-тій точці, - середня швидкість в розглядуваному перерізі нижнього б'єфу) показує, що наявність додаткового гасителя, навіть при різній висоті підняття лівого рл.з та правого рп.з затворів, не просто поліпшує кінематичну структуру, а й ліквідовує збійність потоку, що спостерігається при відсутності додаткового гасителя.

Варто звернути увагу, що на зазначеному рисунку пунктирною лінією зображена епюра відносних придонних швидкостей при наявності лише типового гасителя, а суцільною при наявності типового та додаткового гасителів.

Рис.3.Епюри відносних придонних швидкостей (Q=85,0 л/с, Pл.з=0, Pп.з=5,1 см, hВБ=17,1 см, hНБ=18,0 см): а і б - для створів, розташованих відповідно на віддалі 1,5 м та 2,0 м від кінця берегових стоянів; 1 - при наявності типового гасителя; 2 - при наявності типового та додаткового гасителів

На основі комплексних досліджень кінематичної структури потоку за однопрогінними та двопрогінними спорудами розроблені рекомендації для вибору оптимальної конструкції гасителів енергії в нижньому б'єфі розглядуваних шлюзів-регуляторів. У роботі [15] узагальнені і наведені результати для різних характерних випадків. Оригінальність розробленої конструкції влаштувань нижнього б'єфу таких споруд захищена патентом на винахід [16].

Таким чином, на підставі викладеного матеріалу можна зробити наступні висновки.

1. Утворення хвилеподібних білякритичних течій є однією з причин руйнування кріплення нижнього б'єфу шлюзів-регуляторів та розмивів відвідного русла.

2. Типові проекти шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, при утворенні хвилеподібних білякритичних течій не забезпечують безаварійної роботи цих споруд.

3. Робота шлюзів-регуляторів, обладнаних клапанними затворами, в умовах утворення білякритичних течій повинна враховуватися при проектуванні цих споруд як окремий розрахунковий випадок.

4. Загальна довжина кріплення в нижньому б'єфі повинна визначатися довжиною ділянки затухання придонних максимальних швидкостей.

Література

1. СНиП 2.06.03. 85. Мелиоративные системы и сооружения/Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 60 с.

2. Мелиорация и водное хозяйство. 4. Сооружения: Справочник/Под ред. П. А. Полад-заде. - М.: Агропромиздат, 1987.- 464с.

3. Водне господарство в Україні. За ред. А. В. Яцика і В. М. Хорєва. - К.: Генеза, 2000. - 456 с.

4. Рябенко А. А., Дупляк В. Д., Дадиани М. К. и др. Шлюзы-регуляторы с клапанными затворами на осушительных и осушительно увлажнительных системах. - Минводхоз УССР, Минвуз УССР. Киев - Ровно, 1988. 5с.

5. Низконапорная водосливная плотина на р. Везер в г. Бремене (ФРГ). - Сообщение №2498 //Гидротехническое строительство, 1993, №3. - С.52.

6. Рябенко А. А., Ловцов В. Б., Забулонский А. Ф., Компанец А. Н. Опыт эксплуатации русловых регуляторов (на примере Ирпенской и Здвижской осушительно-увлажнительных систем) //Мелиорация и водное хозяйство, 1993, №3. - С.31-34.

7. Молодоженя А. В., Рябенко А. А. О размывах русла за шлюзами-регуляторами осушительной системы «Иква» //Гидротехника и мелиорация, 1975, №4. - С.65-66.

8. Рябенко О. А. Особливості затухання інтенсивності турбулентності потоку по довжині хвилеподібних білякритичних течій //Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво, вип.25. - Рівне, 2000. - С.78-85.

9. Клюха О. О. Вплив хвилеподібних білякритичних течій на розмивну здатність потоку //Вісник УДАВГ, вип. 1, ч.2. - Рівне, 1998. - С.41-44.

10. Чернобиль О. Є. Форми спряження б'єфів двопрогінних шлюзів-регуляторів з врахуванням особливостей білякритичних течій //Збірник статей УДАВГ, ч.2. - Рівне, 1997. - С.76-78.

11. Беляшевский Н. Н., Пивовар Н. Г., Калантыренко И. И. Расчёты нижнего бьефа за водосбросными сооружениями на нескальных основаниях. - К.: Наукова думка, 1973. - 292 с.

12. Біляшевський М. М., Пивовар М. Г. Розрахунок кріплення дна за низьконапірними щитовими водоскидами. - К.: Вид-во АН УРСР, 1962 64 с.

13. Клюха О. О. Натурні дослідження білякритичних течій в нижньому б'єфі шлюза-регулятора №2 системи “Стубелка” //Вісник НУВГП, вип.5(7). - Рівне, 2000. - С.99-104.

14. Рябенко А. А. Экспериментальное изучение околокритических течений, образующихся в нижнем бьефе открытых регуляторов //Гидромелиорация и гидротехническое строительство, вып.16. - Ровно, 1988. - С.33-38.

15. Рекомендации по гидравлическому расчёту шлюзов-регуляторов, оборудованных клапанными затворами, с учётом особенностей околокритических течений / Рябенко А. А. (общ. редакция), Ловцов В. Б., Данильчук В. Н., Клюха О. А. / Госводхоз Украины, УИИВХ. - Киев-Ровно, 1993. - 77с.

16. Патент на винахід “Шлюз-регулятор” / Рябенко О. А., Ловцов В. Б., Данильчук В. М., Клюха О. О. / Україна, Держпатент, №21034А, Е 02В, 8/06, 7. 10. 1997. - 8с.

Размещено на Allbest.ru