Управление потоками за водопропускными сооружениями в составе противопаводковых защитных комплексов

Вопросы управления течениями за водопропускными регулирующими сооружениями в составе гидроузлов (ГУ) разного назначения является важным и крайне актуальным вопросом современной гидротехники. Несмотря на значительный объём исследований в области изучения процесса сопряжения бьефов в пратике отсутствуют обоснованные способы определения размеров крепления нижнего бьефа и рациональных (эффективных) схем управления в их составе при эксплуатации сооружений в пространственных условиях сопряжения бьефов (Х)#.

Под управлением потоками в составе крепления нижнего бьефа следует понимать комплекс технических мероприятий по конструированию участков крепления и регулирующих элементов, позволяющих в итоге создать условия для эффективного гашения избыточной энергии потока /диссипации энергии/ в условиях формирования плановой сбойно-сти (К^>1) разной интенсивности".

Существующие конструкции крепления в основном проектируются на определенный режим сопряжения бьефов и малоэффективно работают в условиях переходных во времени режимов (2 «Зг, ?,^, ф УНБ) сопряжения. К таким расчётным случаям в первую очередь могут быть отнесены водопропускные сооружения в составе ГУ возводимых для целей зашиты периодически затопляемых территорий.

В настоящее время мало изученной остаётся задача проектирования водопропускных сооружений в составе ярусов защиты гидрокомплексов, включая базовые и переферийные гидроузлы /109, IX, 183/, возводимые на водотоках преимущественно средней водности, часто по схемам многопролетных водосливных плотин /86, 87, 124, 204−207/.

Исследования в области оптимизации конструкций регулирующих гидрокомплексов ведутся в настоящее время в 3-х направлениях: !¦ Исследования по совершенствованию конструкций элементов водопропускного тракта, в т. ч. конструкций крепления нижнего бьефа (водобой, рисберма, концевые устройства) и схем управления течениями в пространственных условиях сопряжения- 2″ Исследования в области плановой гидравлики нижнего бьефа при наличии и отсутствии спутных потоков, включая определение формы и размерности параметров струи и течений в целом, их кинетичности / Чг /, величины концентрации удельных расходов / ^Чфх/, т. е. процесса сопряжения как гидравлического явления, многофакторного характера. 3. Исследования в области охраны и рационального использования природных ресурсов" в том числе совершенствования технических средств и методов зашиты окружающей среды применительно к регулирующим и защитным сооружениям гидроаккумулируюаего характера и водопропускным сооружениям в их составе.

В рамках данной работы акцент в исследованиях был сделан на I направлении, позволяющим в итоге выйти на оптимизацию конструкций крепления дна и схем управления за низконапорными регулирующими сооружениями, с широким привлечением банка экспериментальных данных" в том числе П-го направления.

Анализ исследований в области формирования управляемых течений в нижнем бьефе показал /4,5, 20−29, 36, 37/, что существующие схемы управления и конструкции крепления дна в основном ориентированы на использование всей ширины водосливного фронта (]Ь ~ 1,0) и требуют существенной доработки для их использования в пространственных условиях сопряжения (< 1,0), особенно при переходных режимах сопряжения. Было признано целесообразным дополнить существующие расчётные схемы сопряжения новыми, более совершенными, устойчиво работающими в пространственных условиях.

В основу разрабатываемой в рамках данной работы концепции проектирования креплений нижнего бьефа автором была положена идея создания условий для рассосредоточенного характера управления течениями в нижнем бьефе, путём более активного использования элементов крепления дна — рисбермы и концевого устройства — для гашения избыточной энергии потока, т. е. использования их в качестве активных участков управления. Принятие за основу данной концепции позволяет с одной стороны снизить нагрузку на начальные участки гашения энергии /водобойный бассейн/ перераспределив её на нижележащие участки крепления дна, с другой — более полно учесть условия сопряжения в пространственных условиях, в том числе формирование сбойных течений / 87, 100, 130, 160, 165, 198, 204−206/, которые в условиях концентрированной формы управления способствуют резкому снижению эффективности работы всей схемы управления. Как показывают предыдущие работы автора /7−19, 48, 49, 50, 119/ возникает, чего не было ранее, реальная возможность оценивать размеры крепления дна по их вкладу в процесс управления в составе крепления дна /9, 10, 12, 14, 15, 16, 18/ и создавать крепления разной сложности, обеспечивающих процесс управления течениями в широком диапазоне начальных условий сопряжения бьефов от околокритического (7г 4* 2*3) до донного (9 7 г, А 45).

Эффект управления по рассосредоточенной схеме обеспечивается за счёт расположения регулирующих элементов с управляемым процессом диссипации, в зависимости от начальных параметров потока (2,^Ик * ¦) в границах областей малых и наибольших поперечных градиентов I.

0Ы, Щ /д^), за пределами которых (ниже по течению) формируется устойчивая область планового растекания, обеспечивающая глобальное торможение потока, вовлекая в процесс как транзитную часть потока, так и вторичные течения /^, Лёьь" «/*.

Подобная методика управления транзитным потоком в нижнем бьефе позволяет осуществлять прогнозируемый /расчётный/ процесс дисси.

— 1Ъ~ пации энергии на участке формирования сбойных течений, где режим сопряжения близок к о коло критическому /0,4 4: 0,85/.

Использование переходных режимов сопряжения в качестве расчётных, позволяет с одной стороны учесть специфику формирования течений в нижнем бьефе, с другой — использовать для управления участки крепления, ранее не используемые для активного характера гашения избыточной энергии потока. При этом околокритические потоки, обладающие избыточной энергией и высокими скоростными характеристиками /8, 13, 14, 15, 16, 18, 48−50, 61, 74, 95, 97, Ш, Ш, 151, 155, 177/ в большей степени, чем потоки меньшей кинетичности / Я* < 0,4/, обладающие меньшими величинами градиентов (^/ЗД, ,.

Щ/дХ) пригодны для процесса управления в пространственных условиях сопряжения бьефов".

Важным определяющим фактором, разрабатываемой в рамках данной работы методики управления течениями, становится правильная оценка, параметров расчётного режима сопряжения по длине крепления.

В связи с этим, в условиях формирования пространственного гидравлического прыжка, следует различать начальный режим сопряжения в границах водобойной части крепления, определяемой общим перепадом на сооружении (^/Нк ") и последующий — формирующийся под воздействием вторичных течений (,, ,) и элементов крепления дна (^/^, , Яд) в границах участков активного турбулентного перемешивания ()•.

При этом в процессе формирования простренственного гидравлического прыжка может иметь место в интервале 0,1 — ^ 0,8 формирование переходных околокритических течений, которые могут проявляться в виде периодических (Тг^ ~ 0,5*0,8) и уединенных волн (Тг 0,8), которые соответственно могут быть отнесены к околокритическим спокойным потокам /121, 151, 155, 177/,.

Применение в качестве регулирующих элементов конструкций крепления разработанных автором в виде прорезных уступов дна /9, 12, 13, 14, 15/ и универсальной конструкции рисбермы в виде продольных направляющих шпор, позволяет перевести процесс управления такого рода околокритическими течениями в практическую плоскость, либо как самостоятельную схему управления 2? ? н либо как составляющую 2 >? и.

Целью диссертационной работы является разработка на основе комплексных экспериментальных исследований новых методов управления течениями в нижнем бьефе, основанных на широком использовании в составе креплений — рисбермы и концевых устройств с управляемым процессом диссипации энергии, работающих в переходных режимах сопряжения бьефов, характерных для водопропускных сооружений в составе регулирующих гидроузлов, включая область применения и методику их гидравлического расчёта с учётом изменяющейся кинематики потока.

Научная новизна заключается в разработке, научном обосновании и подтверждении результатами исследований методов проектирования и расчётов элементов крепления дна разной сложности и состава на послепрыжковом участке, включая элементы конструкции с управляемым процессом диссипации энергии ранее не применяемые в практике гидротехнического строительства. При этом возникает возможность регулируя процессом диссипации (, /ц) осуществлять активное воздействие на процесс планового сопряжения на участке формирования спокойных (^ 4=. 0,50) и спокойных околокритических течений (0,56 & «Зг^ 0,8), включая как транзитную часть потока, так и боковые водоворотные области.

В отличие от известных — методика проектирования и расчёта креплений нижнего бьефа основанная на учёте регулирующих возможностей рисберм и концевых устройств /достигающих на размываемых грунтах 60*80% длины всего крепления/ позволяет решить задачу оптимизации длин креплений в составе низконапорных водопропускных сооружений, в условиях изменяемых параметров процесса сопряжения (2,^, ^,^, Щ>, Зг, УЖ).

В связи со сложностью и новизной решаемых задач, был применен поэтапный метод решения проблемы. Работа состоит из 8 глав, заключения и приложений*.

I глава содержит общие положения концепции формирования многоярусных /веерных/ защитных гидрокомплексов, включая оценку гидроклиматических условий строительства защитного комплекса на примере Амур о-Зе е-Буре инс кого междуречья /1, 39, 40, 52, 59, 60, 62, 70, 96, 108, 109, III, 123, 125, 126, 127, 133, 201, 203/,.

Приложение I. Дан анализ конструкций защитных сооружений, выполненный на примере отечественных и зарубежных данных, включая базовые ГУ и ППГУ с временным характером наполнения водохранилищ /Приложение 2/, их возможные режимы работы в составе защитного комплекса.

Во П-ой главе даётся комплексная оценка работы креплений нижнего бьефа применяемых в практике гидротехнического строительства, анализ направлений в области изучения пространственного гидравлического прыжка, /как гидравлического явления/ и обзор технической литературы по работе отдельных элементов креплений дна в составе тракта низконапорных ГУ.

В Ш-ей главе были сформулированы цели и задачи I этапа исследований, включающих разработку положений теории сопряжения бьефов в составе крепления дна.

Было признано целесообразным при разработке теоретических положений не акцентировать внимания на особенностях форм течений при различных видах гидравлических прыжков, а рассматривать — с одной стороны укрупнённые схемы формирования течений в пространственных условиях, с другой — в связи со сложностью и многофакторностью.

— Обданного явления — оценивать процесс сопряжения фрагментально, на разных этапах /ступенях/ формирования прыжка, в зависимости от применяемых схем управления, что потребовало создания основ концепции о многоступенном характере формирования течений в границах крепления нижнего бьефа,.

В положениях теории о многоступенном характере формирования течений в границах крепления нижнего бьефа автором были впервые сформулированы понятия о ступени управления как составной части крепления дна, дана градация по ступеням активного и пассивного характера управления, рассмотрены возможности управления течениями в условиях формирующейся сбойности (¡-Ь, И^,, ,)" в том числе данные по выбору расчётного режима сопряжения, формиру—: — емого как было указано вше, по схеме спокойного о коло критического течения / 0,5 ^ 4= 0,85/.

4-ая глава посвящена методике проведения гидравлических исследований и выбору граничных условий" Рассматриваются схемы экспериментальных установок и правила моделирования гидравлических явлений и перечень исследуемых параметров полученных на основе анализа составленного критериального уравнения регулирующей способности крепления нижнего бьефа.

В 5-ой главе даётся постановка задачи П-го этапа исследований, признанная разработать методику проектирования и расчёта креплений с управляемым процессом диссипации энергии, включая выбор базовой конструкции и оценку её регулирующих возможностей.

Выполненный в 5 главе анализ работы гладкого крепления с уступом в пространственных условиях, включая структуру донного вальца, позволил оценить по длине крепления характер процесса диссипации энергии (Е^, ^/ц), получить более достоверную кинематическую схему формирования течений и прогнозируемый харак.

— 1? тер процесса сопряжения бьефов*.

В качестве базовой для дальнейших исследований была принята /глава б/, конструкция рисбермы с уступом дна и направляющими продольными элементами /18, 74 /, в границах которой возникает возможность регулировать процесс сопряжения бьефов — интенсивностью диссипаций энергии водного потока, как основы управляемого процесса в зависимости:

— от высоты уступа дна (^ / Ьк)".

— от высоты направляющих элементов () — р

— от длины направляющих элементов С / Ик) — Л.

— координат формирования сдвигового течения (/ йк);

Расположение регулирующих элементов вдоль потока и использование в составе управления — разнонаправленных сдвиговых течений" дало возможность менять регулирующие возможности креплений дна., в широком диапазоне величин сопротивлений (^,^х * «.

Я. , Ч,), что особенно важно при большом разнообразии начальных Ь параметров течений (^, ^/Ьк, Кс^, 1т), что было подтверждено экспериментальным путём / 18, 74 /.

Впервые для схемы крепления дна с управляемым процессом диссипации было выполнено решение уравнения количества движения, что позволило определить суммарные величины сопротивления () в границах расчётного отсека и составляющие его величины в границах транзитной части потока (Йх 5 и за её пределами (), определить величины местных сопротивлений в их составе" Впервые в практике гидравлических исследований автору удалось классифицировать конструкций крепления дна с управляемым процессом диссипации по их регулирующим возможностям*.

Анализ их работы в переодных режимах сопряжения показал, что наибольший эффект управления начинает сказываться при соотношении внутреннего (Кт) к общему () сопротивлениям при тт Т, 0,1, для которых в условиях базовой конструкции крепления дна, вдоль направляющих элементов будет формироваться развитый пограничный турбулентный слой.

Экспериментально установлено, что при Яе кр > 5×10° коэффициент сопротивления () превышает в 2,8 * 3,4 раза соответствующую величину для участка с Кекр < 5×10й, где от ' величина 0,04 ^ ^ отвечает области с ограниченными регулирующими возможностями.

В связи с тем, что различные конструкции крепления и типы регулирующих сооружений имеют в пространственных условиях сопряжения разный механизм управления и разную степень эффективности применения с целью более эффективного использования существующих конструкций в составе крепления нижнего бьефа была составлена классификация элементов крепления дна (глава 7), отвечающая основным положениям многоступенного характера формирования течений. При этом она включает как укрупненную блок-схему классификации Ш.7Д), так и расшифровку её положений, представленную в Приложении 5.

Состав главы 8 включает алгоритм расчёта креплений нижнего бьефа с учётом принятой ступенности управления и эффективности работы элементов его составляющих. Определение линейных размеров основано на формулах и зависимостях волновой теории" характерной для околокритических течений с волнистой поверхностью / 95, 97, 121, 132, 151, 161, 177, 178/, величины заглублений (^ / Нк 9 / Ьк) Б Условиях решения плановой задачи < I) оценивались по зависимости Шерениова — Консттантинова / 82, 83, 196 — 198 /, для течений в границах области свободного растекания потока.

Результаты исследований позволили на практике подтвердить возможность осуществления многоярусных (веерных) защитных гидрокомплексов" включая базовые гидроузлы и переферийные водохранилища периодического наполнения. При этом были найдены конструктивные решения водопропускных сооружений и универсальный спектр конструкций крепления дна, объединенный в виде классификации" позволяющей осуществлять эффективное гашение избыточной энергии в разноступенных схемах управления при возможности формирования переходных режимов, характерных для условий пространственного сопряжения бьефов (|> < 1).

Были выявлены факторы, влияющие на изменение внутренней структуры потока, включая транзитную часть и боковые водоворот-ные области, установлена связь между конструктивными решениями недсформированной части крепления и эффективностью управления.

Предлагаемые в работе:

— принципы формирования ветвей защиты многоярусных регулирующих комплексов;

— конструктивные решения формирования многоярусных защитных гидрокомплексов" включая ВУ и ППГУ;

— основные положения многоуровенной (ступеиной) схемы управления в нижних бьефах гидроузлов, включая активные и пассивные участки управления;

— поэтапный принцип формирования гидравлического прыжка при наличии разноступенных схем управления течениями, использование банка экспериментальных данных в составе исходных данных;

— использование переходных околокритических течений.

0,5?^г 0,8/ в качестве расчётного режима сопряжения вторичного характера на участке формирующейся плановой сбойности (Ио > 1)#.

— 20- выбор базовой конструкции крепления дна." отвечающей схеме с управляемым процессом диссипации энергии, потока, оценка её регулирующих возможностей в условиях формирования пространственного гидравлического прыжка (< I,, ~ 0,85);

— классификация элементов управления в составе базовой конструкции по их регулирующим возможностям в составе крепления дна С Н^ ,.

Яехкр,, Ч.

— решение уравнения сопряжения бьефов для схемы крепления рисбермы с управляемым процессом диссипации энергии / /,.

— особенности процесса диссипации энергии потока в границах базовой конструкции крепления дна («.. Фк,)» в том числе формирования пограничного слоя () вдоль направляющих элементов, в зависимости от исходных параметров течения (,, имеющих место в пространственных условиях сопряжения бьефов (^ I) ;

— расчётные схемы формирования пространственного прыжка /течений в плане/ в условиях управляемых течений;

— классификация конструктивных схем управления течениями за водопропускными сооружениями, в том числе по ступеням управления, применяемых в составе защитных многоярусных гидрокомплексов;

— расчётные зависимости для определения основных размеров крепления в составе разноступенных схем управления течениямипозволяют более обоснованно, чем ранее, назначать конструкции регулирующих сооружений, осуществлять управление параметрами пространственного гидравлического прыжка в составе креплений в разных конструктивных схемах, оптимизировать выбор конструкции и размеры регулирующих элементов по ступеням управления, оценивать работу водопропускных сооружений разных по сложности и составу.

Нспользование в практике гидротехнического строительства вышеназванных положений при сооружении регулирующих гидроузлов позволяет получить значительный эффект:

— от снижения нагрузки на экосистему за счёт более дифференцированного подхода к выбору типов защитных ГУ, в том числе за счёт использования ГШГУ с временным характером наполнения;

— от оптимизации схем управления и типов водопропускных сооружений с учётом решаемых ими задач;

— от широкого применения конструктивных схем с управляемым процессом диссипации;

— от снижения размывающей способности потока (Яг, ? &, /Г^ }.

За СЧ®Т повшения УР0ВНЯ эффективности управления течениями в границах формирования пространственного гидравлического прыжка (^ I,). Данная работа впервые позволяет совместно рассматривать исследования в области управления течений в нижнем бьефе и данные по комплексному использованию водных ресурсов (защитных гидрокомплексов) переложив проблему формирования многоярусных защитных гидрокомплексов из теоретической в практическую плоскость".

Практическое значение имеют комплексные исследования •". 1 проведенные автором для креплений с управляемым процессом' диссипации, в составе базовой конструкции крепления дна, которая может рассматриваться как новый перспективный тип крепления, имеющий избирательный характер управления течениями, который может использоваться в составе разиоступекыых схем крепления ГУ разного назначения, повышая их регулирующие возможности.

Настоящая работа выполнялась на 3-х экспериментальных установках: гидравлическом лотке в лаборатории кафедры «Гидротехнические сооружения» СПбГТУ и 2-х универсальных пространственных гидравлических лотках Ш6Г1У и ШИТ им. Б. Е. Веденеева.

— ггв рамках решения Обшеетоюзной научно-технической программы ГКНТ 055.08 в период 198б-91г.г" и межвузовской научно-технической программы «Строительство» по направлению «Методика проектирования водосбросных сооружений» с учётом концентрации расходов при неравномерном сбросе" в 1992;93 г. г.

Основные результаты работы докладывались: на Всесоюзной межвузовской н.-т.конференции «Перспективы развития для’электрических станций и энергетических систем», Ленинград 198?, Российской н. •конферении: «Инновационные наукоёмкие технологии для России», 0.-Петербург 1995, на конференции Ассоциации технических университетов России: «Фундаментальные исследования в технических университетах», ОПбГТУ, 1997, на межвузовских н.-т.конференциях ДТЙ ЦБП в 1985~90г.г., на лабораторных Советах ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева в 1985;92г, г. и научных семинарах в ШбГТУ в 1983;97г, г.

Результаты исследований, включенные в диссертационную работу изложены в 18 научных работах и подкреплены двумя авторскими свидетельствами на изобретение конструкций рисберм.

ГЛАВА X. ОШОШ КОНЦЕПЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕШИШЩХ.

СООРУЖЕНИЙ В СОСТАВЕ ПРОТИВОПАВОДКОШ ЗАЩИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

Х.Х. Общие положения применения защитных речных сооружений и гидроузлов регулирующего характера.

Одной из важнейших задач, решаемых современной гидротехникой является защита территорий, располагаемых в пойменных участках рек от затопления и подтопления в период наводнений, в том числе паводков малой обеспеченности. Время подтопления (затопления) территорий может колебаться от нескольких часов, например, морские нагонные явления (12+36 часов) в дельтах крупных рек (р.Рейн, р. Темза, р. Нева), до нескольких недель (14+35 суток), связанные с весенне-летники паводковыми явлениями, в том числе с периодически повторяющимися муссонными явлениями (в! — регион Дальнего Востока).

В настоящее время защита территорий от подтопления в период наводнений и пропуска паводков малой обеспеченности может рассматриваться, наряду с гидроэнергетикой, одним из приоритетных направлений в области комплексного использования водных ресурсов.

Данные статисики свидетельствуют о том, что по повторяемости, площади распространения, количеству человеческих жертв и суммарному годовому ущербу — наводнения занимают одно из первых мест в ряду наиболее разрушительных стихийных бедствий.

В результате опасности периодического затопления из хозяйственной деятельности в разных регионах изымаются значительные площади пригодных к использованию земель, ценность которых возрастает в связи с их удобным местоположением, тяготеющим к поймам крупных рек, где плотность населения традиционно высока. Даже кратковременные затопления приводят к крайне негативным последствиям: гибель урожая /или части его/, скота, разрушение коммунинаций, снос деревянных построек, затопление подвальных помещений. С экологической точки ¦ зрения наиболее опасным является затопление очистных сооружений, отстойников, могильников токсичных веществ, складов химических реактивов. Объекты такого рода, если они не могут быть перенесены, следует защищать от затопления в первую очередь.

Наводнение, как стихийное бедствие, в силу невозможности утилизации избыточной водной массы не может быть предотвращено как природное явление.

Можно ослабить их последствия, уменьшая площадь затопления /если речь идёт о значительных площадях/ или локализовать в определенных границах /если вопрос ставится о защите отдельного объекта или населенного пункта/.

Для. правильного выбора средств инженерной защиты территорий от периодического затопления и подтопления, под которой понимается комплекс инженерно-технических и организационно-хозяйствеиных мероприятий, обеспечивающих защиту объектов народного хозяйства и природной среды от наводнений, необходимо установление причин и времени проявления /продолжительности/ затопления. Целесообразность тех или иных способов и средств инженерной защиты зависит от причин возникновения затопления, народнохозяйственной значимости и функционального назначения защищаемой территории.

Практика применения защитных /регулирующих/ гидротехнических сооружений показывает, что существует целый набор средств и технических решений, позволяющих избежать негативные последствия паводковых явлений:

I. Строительство крупных регулирующих гидроузлов комплексного назначения, з том числе в составе каскадов ГЭС на крупных реках, используемых для выработки электроэнергииорганизации судоходства, решения вопросов ирригации.

Вопросы регулирования стока осуществляются в границах объёма водохранилища, ориентируемого вдоль основного водотока. Большинство из этих гидроузлов формируют водохранилища многолетнего регулирования.

2. Устройство защитных дамб обвалования вдоль водотока" обеспечивающих инженерную задачу населенных пунктов, промышленных объектов и территорий в период пропуска пика паводка (наводнения) .

3. Защитные сооружения (дамбы) постоянного действия, обеспечиваю" шие защиту территорий пойменных участков от затопления (подтопления) со стороны искусственно создаваемых водохранилищ.

4. Устройство в дельтах крупных равнинных рек, втекающих в морские акватории, специальных защитных сооружений, в состав которых входят специальные водопропускные отверстия /сооружения/* перекрываемые на период угрозы наводнения /нагонные явления/.

5. Устройство специальных регулирующих сооружений в руслах по типу сборно-разборных плотин на равнинных реках с целью регулирования уровней воды в реке (в акватории верхнего бьефа) и стока" Характеризуется временным характером применения, что позволяет существенно снизить экологические неблагоприятные последствия от их использования.

6. Гидроузлы постоянно действующие" регулирующего назначения со стационарными действующими водопропускными отверстиями оснащенными регулирующими затворами (реже без них), в состав кото-рых могут быть включены агрегаты ГЭС, располагаемые в быках, усагоях, в виде блоков и т. п.

Обычно возводятся на притоках крупных рек с целью создания объёма аккумуляции регулирующего характера.

7. Малые ГЭС и водоподъёмные плотины русловой (реже пойменной) компоновки возводятся на малых водотоках. Обеспечивают зарегу-лированность стока сети малых водотоков. Представленные способы зашиты территорий от подтопления и Еремеиного затопления можно подразделить на три группы: 1. Способы зашиты регулирующего действия (п. 1,5,6,7) обеспечивающие защиту путём регулирования процесса речного стока* П. Способы защиты ограждаюше-регулируюшего действия (п.4), когда длины ограждающих сооружений и водопропускных отверстий дифференцируются по гидро-экояогическим условиям створа защитного сооружения,.

Ш. Способы защиты ограждающего характера (п. 2.3) без устройства специальных водопропускных регулирующих сооружений. В рамках данной работы рассматриваются только схемы и способы защиты регулирующего действия" связанные с аккумуляцией части водной массы в границах искусственно создаваемых водохранилищ и акваторий, нормированным пропуском сбросных расходов. При этом всегда предполагается необходимость комплексного кодхода к использованию водотоков в составе планируемых схем зашиты. В период наиболее активного гидротехнического строительства в нашей стране /т.е. в период 304−80 г. г./ условия комплексного использования водотоков не всегда соблюдались. Иногда рассмотрению подвергались локальные участки рек, последствия же возведения гидроузлов, как правило, не учитывались или учитывались не в полной мере /167, 168, 169/.

В составе запроектированных каскадов ГЭС приоритет отдавался не регулирующим последствиям строительства, а их энергетической ценности и использовании в энергетической системе. Это обстоятельство привело к тому, что освоению подвергались лишь удобные для гидротехнического строительства участки рек, малоперспективные с точки зрения выработки электроэнергии гидроузлы не возводились и исключались таким образом из состава каскадов.

В современных условиях проектирования гидрокомплексов, в том числе, в первую очередь, для защиты территорий от подтопления, требуется комплексный подход к вопросам регулирования стока, который может быть разработан в сравнении разных схем и технических решений" в том числе с использованием зарубежного опыта.

С учётом сказанного важным вопросом является уточнение принципов регулирования стока и использования потенциала малых и средних рек /водотоков/.Если в нашей стране, до последнего времени, в схемах использования рек рассматривались, главным образом стволы бассейнов, то за рубежом, и в частности, в США, рассмотрению подвергается вся гидрографическая сеть больших бассейнов. А' к возведению намечаются как большие, так и малые гидроузлы, исходя из принципа оптимальной «общей» эффективности. Так, равные по площади бассейны р. Днепра (508 тыс. км*") и р. Колумбии (540 тыс. щ/?) в пределах США зарегулированы совершенно различно. В Днепровском бассейне каскад ограничен ныне существующими 6-ю гидроузлами, а в Колумбийском будет построено 100 гидроузлов, большая часть из которых уже действует. Такое соотношение показателей зарегулирования зависит не только и не столько от разницы в водности и уклонах рек, сколько от разницы в подходе к вопросам зарегулированности сток.

Учитывая изложенное необходимо: X, Пересмотреть принципы регулирования стока водотоков и разбивки их на ступени, применив способ комплексного рассмотрения всей гидрографической сети бассейна /водосбора/ с учётом как основного водотока, так и переферийных участков /притоков/, обеспечивающих лучшую сохранность экосистем. 2, Пересмотреть концепцию управления течениями за водосбросными сооружениями, сделав акцент на низконапорные регулирующие гидроузлы, работающие в пространственных условиях сопряжения бьефов I), в широком диапазоне режимов сопряжения 0,5 * 0,6? Зг? 9 * 30.

3. Скорректировать условия зарегулирования стока и использования рек в бассейнах, имеющих регулирующие сооружения, в т. ч.ГЭС.

4. Все сооружения гидрокомплекса, в том числе выполняющие чисто защитные и регулирующие функции — рассматривать в единой системе эксплуатации с основным /базовым/ гидроузлом, в границах одной ветви сооружений и в целом по гидрокомплексу.

В настоящее время базовым объектом управления, обеспечивающим зарегулированный сток рек остаётся тип комплексного гидроузла, на который в технической литературе уделено основное внимание.

В большинстве современных существующих крупных гидроузлов регулирующего характера при прогнозировании такого важного фактора, как подтопление обычно применялся формальный способ оценки" когда в качестве подтопленной территории принимаясь лишь узкая береговая полоса, имеющая превышение на ^ НПУ или другим расчётным уровнем (ШПУ) на I * 3 метра. Этот способ не имеет ничего общего с фактической сущностью явления, никак не учитывает возможные подтопления глубинных территорий, искусственно снижая тем самым негативные последствия от подтопления /108, 167/. При этом обычно хвостовые, участки водохранилищ, выходящие в русла малых и средних рек надлежащим образом не анализировались, а сами водотоки в границах хвостовых участков не рассматривались как перспективный объект зашиты и зоны возможного гидротехнического строительства.

Представленные материалы позволяют наметить перспективы дополнительных изыскания в области разработки формирования концепции многоуровневой схемы защитных сооружений, позволяющей сгладить последствия и уменьшить потери от гидротехнического строительства в границах ствола бассейна.

8.4. ВЫВОДЫ по главе 8,.

1. Предлагаемый алгоритм расчёта позволяет сформировать поэтапный подход к решению вопроса управления течениями в нижнем бьефе регулирующих гидроузлов, включая выбор расчётных схем управления, расчёт основных параметров (размеров) элементов крепления дна, включая 2-х и 3-х ступенные схемы управления.

2. Расчёт высотных параметров течения в границах ступеней управления (^ / Ы «Ик * ^/Ьус) выполняемый по зависимости (8.3 — 8.19), позволяет учитывать особенности формирования течений в пространственных условиях (?).

3. Составленные на основании формул волновой теории /17?, 178/ зависимости для определения длин элементов крепления в составе 2-х ступенных схем управления (8.21, 8.23, 8.25, 8.27) позволяет использовать их для расчёта водопропускного тракта низ ко напорных ГУ (I Л 6).

4. Выведены зависимости для определения общей длины крепления за водопропускными сооружениями (7 ^ ^ 25) в составе 3-х ступенных схем управления для гладкого водобоя (8.29, 8.33) и гасителей реактивного типа (8.35, 8.36), включая рисберму и концевое устройство.

5. В представленных расчётных зависимостях из состава расчётной длины крепления исключены набросные участки.

Их размеры следует определять экспериментальным путём, для каждого сооружения отдельно, с учётом грансостава грунта и характера основания, по аналогии с исследованиями, выполненными автором / 16, 74/ на размываемой модели. в зависимости от их начальных параь и схем гашения энергии (I?, Й.

— 326.

ЗАШШЕНИЕ.

Проектирование креплений дна за водопропускными сооружениями гидроузлов, возводимых на размываемых основаниях всегда предполагает решение сложной многофакторной задачи, учитывающей особенности эксплуатации гидроузла при обеспечении требуемой надёжности работы элементов крепления в составе водопропускного тракта и ограничения процесса переформирования русла".

Если регулирующие возможности водобойной части креплений хорошо изучены, то соответствующее определение размеров крепления дна на послепрыжковом участке /в границах рисберм и. концевых уст:.-ройств/ всегда вызывает известные трудности. В первую очередь это происходит из-за неясности их конструктивного решения и почти полном отсутствии соответствующих данных по регулирующим возможностям рисберм и концевых устройств, в том числе с управляемым процессом диссипации при их работе в составе крепления за многопролетными водосливными плотинами.

По этой причине поток может сохранять высокую размывающую способность и за границами крепления дна, что приводит к образованию местных размывов, достигающих в ряде случаев значительных размеров. Необходимым условием процесса регулирования течений является объективная оценка расчётного режима сопряжения бьефов по длине крепления, включая послепрыжковый участок.

Наибольший диапазон режимов сопряжения бьефов относится к водопропускным сооружениям в составе гидрокомплексов, возводимых для целей защиты периодически затопляемых территорий.

В составе защитных комплексов предполагается строительство преимущественно низконапорных ГУ с расчётным перепадом от 5*7мГУ временного характера эксплуатации (ШГУ) до 1о*25м (базовые ГУ), с водопропускными сооружениями выполняемыми по типу многопролетных водосливных плотин.

В настоящее время остаётся малоизученной задача проектирования креплений за водосбросными сооружениями, работающими в переходных /изменяемых во времени/ режимах сопряжения бьефов, стоимость которых составляет до 30*50% от стоимости регулирующего гидроузла.

В рамках данной работы акцент в исследованиях был сделан на совершенствовании конструкций элементов водопропускного тракта /в основном рисбермы и концевых устройств/ и схем управления течениями при неполном использовании ширины водосливного фронта, (^ I), позволяющих в итоге выйти на оптимизацию конструкций крепления дна за низконапорными регулирующими сооружениями, в том числе на послепрыжковом участке.

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертации позволил впервые проблему управляемого процесса сопряжения бьефов перевести в практическую плоскость. Была решена важная задача гидротехнического строительства — управление низкокинетичными потоками на послепрыжковом участке крепления путём разработки теории формирования многосту-пенных схем управления течениями в составе регулирующих ГУ защитных комплексов, отвечающих требованиям их эксплуатации, в том числе устойчивой работы в переходных режимах сопряжения бьефов.

В качестве исследуемого был принят околокритический режим сопряжения, формируемый по схеме прыжка волны (0,85 Ьк — Ьк)• Это позволило автору разработать общие принципы управления для течений /0,5 ^? 0,85/, имеющих место в составе схем креплений разной сложности и состава.

Впервые были разработаны схемы управления течениями и конструкции крепления дна, эффективно работающие в пространственных условиях сопряжения бьефов, позволяющие снизить негативные последствия от формирования сбойности в нижнем бьефе (И<^"1), в том числе впервые — для водопропускных сооружений (ППГУ), работающих преимушественно в околокритическом режиме сопряжения бьефов (2+Зм ^ 2 6 5+7м). Наблюдаемое при этом объёмное перераспределение водной массы в грат-ницах разработанной базовой конструкции крепления рисбермы способствует изменению формы течения в плане и по глубине, ограничения трансформирующего /негативного/ влияния боковых водоворотных областей на транзитную часть потока и как следствие — снижения общей величины сопротивления от процесса взаимодействия течений в нижнем бьефе" Этот процесс управления сопровождается уменьшением интенсивности поперечной составляющей (, ^/ц) и пульсаци-онной составляющей скорости () в 1,5 и более раз, которая в итоге ведёт к снижению размывающей способности потока и сохранению набросной части как элемента крепления /Приложение 4/,.

Наличие протяженных направляющих элементов, способствует формированию дополнительных гидравлических сопротивлений по их длине (Я/,, Т), что обеспечивает более интенсивный процесс диссипации энергии потока, носящий в данном случае управляемый характер, Формирование пограничного слоя в вертикальной плоскости в границах направляющих элементов способствует интенсификации этого процесса, что принципиально отличает данный способ управления от известных ранее.

Комплексный подход к решению данной проблемы позволил разработать отличную от известных методику проектирования схем управления и крепления дна разной сложности и регулирующих возможностей, включая их классификацию, алгоритм расчёта, оценку регулирующих возможностей конструкций с управляемым (изменяемым) процессом диссипации энергии, путём решения уравнения сопряжения бьефов, формирующегося в границах рассматриваемых типов крепления дна.

На основе базовой конструкции крепления рисбермы разработана целая группа гасителей /схем управления/, обладающих разноинтенсивным регулирующим действие на процесс сопряжения, позволяющих обеспечить гашение избыточной энергии потока в более широком, чем ранее, диапазоне величин (2, ^). Ценность разработанных конструкций креплений заключается в универсальности их применения в составе конструкций разной сложности /в границах ступеней активного управления/, позволяющих повысить эффективность работы регулирующих сооружений в условиях формирующейся плановой сбойности (kty > I).

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

X. В основу структуры формирования защитных комплексов может быть положена ветвь зашиты /см.рисД.2/, ориентированная на водотоки преимущественно средней водности, в составе которых регулирующие водопропускные сооружения могут обладать большим разнообразием конструктивных решений /см.рис.1.5, 1.6, 1.7/.

2. Анализ возможного использования защитных комплексов на примере перспективных для строительства регионов Ш /Амуро-Зее-Буреин-ское междуречье/ /39, 40, 59, 123, 201, 203/ показывает, что перспективным может быть применение ШГУ с временным характером наполнения /108, 109, XII/, характеризующиеся изменяемым во времени режимом сопряжения бьефов, снижающих экологический ущерб от их возведения и последующей эксплуатации.

3. Анализ исследований в области изучеиич формирования гидравлических прыжков показывает, что существует 2 основных направления — изучение гидравлического прыжка как явления на гладком дне, в том числе в условиях формирования пространственного сопряжения /33,53−58,69,83,86−88,91−93., 98−101,117,118,124,139−144,196 -198,204−207/ - изучение гидравлического прыжка как процесса /4,5,20,22,37,91−93,98~100,Х71−173/ в том числе с изменением.

1 конфигурации дна в границах крепления. Для полной и объективной оценки сопряжения бьефов следует рассматривать два этих направления в единой /неразрывной/ кинематической схеме, дополняя её имеющемся экспериментальным материалом. 4. Существующие конструкции креплений за водопропускными сооружениями /глава 2/ не обеспечивают должного контроля за процессом сопряжения бьефов на послепрыжновом участке, в том числе в условиях изменяемых во времени параметров (Ъ, % # ^ УНБ), характерных для защитных сооружений, что вызывает необходимость рассмотрения более совершенных способов и схем управления в составе креплений дна, в том числе с управляемым процессом диссипации энергии по длине, 5″ Вследствие большого разнообразия креплений и схем управления, предложен и заложен в основу разрабатываемой теории сопряжения бьефов принцип поэтапного рассмотрения процесса сопряжения в границах крепления дна — включая водобой, рисберму, концевое устройство /см.рис.3*2/, называемые в составе крепленияступенями управления, б. Все ступени управления в зависимости от выполняемых ими функций могут быть подразделены на активные и пассивные:

— к ступеням активного управления могут быть отнесены участки крепления дна, где происходит объёмная /многофакторная/ перестройка характеристик потока /, А, £д./" сопровождающаяся значительной потерей кинетической /? к / и волновой / / составляющих энергии потока;

— к ступеням пассивного характера управления могут быть отнесены участки рисбермы (крепления дна, соединяющие ступени активного управления или выполняющие роль подводящего к ним /или отводящего от них/ участков тракта.

7″ В условиях многоступенных схем управления может быть предложен принцип поэтапного перехода от одного гидравлического режима к другому, меньшей кикетичности, отвечающий неравенствут^ > «^й, > величины которых в условиях рассматриваемого класса сооружений лежат соответственно в пределах 2*3 — ^ ^ 15−45- 0,5*0,6 ^ ^ 0,85- 75⁰, 3*0,4 /рис.3.4/. 8. Формирующиеся в условиях решения плановой задачи переходные около критические режимы сопряжения /0,5 ^ ^ 0,85/ могут быть приняты за расчётные в границах крепления рисбермы, с корректировкой величин параметров течения (73», Ц/Ьк:, за счёт использования широкого спектра экспериментальных данных плановой гидравлики.

9, В качестве возможной базы для обеспечения управляемого процесса диссипации энергии была рассмотрена схема управления, основанная на формировании сдвигового течения за прямым уступом дна, в границах которого (при р> ^1) зауступный валец имеет сложную 2х слойную форму, состоящую из водоворотной области, вращающейся вокруг поперечной трубки тока при соотношении ^/ця 0,15 * 0,22 (рис. 5.6, 5.7), при этом за уступом дна образуется характерное сдвиговое течение /рис.5.3/.

10. В качестве исследуемой /базовой/ конструкции крепления дна с управляемым процессом диссипации энергии была принята, отличная от известных ранее /9,12/ гладкая рисберма с уступом дна и направляющими элементами /шпорами/ /рис.6.1/. Наличие направляющих способствует выравниванию характеристик потока (Ц, р, в плане и снижению интенсивности поперечной циркуляции в 1,25 * 1,50 раза /рис.6,3/.

11. Важным фактором управления является формирование пограничного слоя в вертикальной плоскости /вдоль направляющих элементов/, за границами зауступног®вальца и обширной области интенсивного турбулентного перемешивания (рис. 6.2) мевду зоной с замедленным движением и основным потоком, способствующей развитию дополнительных сил турбулентного трения ЯГ, , интенсивность которых можно оценивать по зависимостям (6.1, 6.2).

12. Оценка экспериментальньм путём регулирующих возможностей базовой р конструкции крепления дна показала, что при увеличении от 0 до 10 наблюдается снижение в потоке относительной величины энергетической составляющей (^^бт£") с 1.78*1,55 до 1,1*1,03, что соответствует эффективности гашения 88% и 95% (рис. 6.о).

13. При составлении и решении уравнения сопряжения бьефов в границах крепления с управляемым процессом диссипации энергии (6.10−6.16) автором был применен групповой принцип учёта суммы местных сопротивлений (6.14).

Г — от взаимодействия транзитного потока с элементами дна /управляющая величина/ 6.15, таблица 6.2.

Яд — по границе взаимодействия транзитного потока и вторичных течений /управляемая величина/ 6.16, таблица 6.3.

14. По результатам решения уравнения сопряжения бьефов (6.15,6.16) была построена зависимость, Кт / в ^ (^УИк) см. рис. 6.11, было установлено, что за критерий может быть принято соотношение: при ^ 0,10 -конструктивная схема отвечает высокому уровню управления, при ^ 0,04 — низкому.

15. С целью практического использования основных положений теории многоступенного характера формирования течений в нижнем бьефе была составлена классификация расчётных схем управления и конструктивных элементов крепления дна, положения которой по уровням планирования /глава 7/ предполагают поэтапный характер составления макета крепления дна и включают: на I уровне — классификацию схем сопряжения бьефов по количеству ступеней управления течениямина II уровне — классификацию схем сопряжения по характеру ступеней управления (активного и пассивного характера) и расчётным режимам сопряжения / Чг ,.

Ч’Ыс /- на Ш уровне — классификацию элементов крепления, используемых для формирования течений в границах активных участков управления, предполагающую наличие 3-х групп гасителей и регулирующих элементов (группы А, Б, В) /табл.П.5Л — 11.5.8/.

16″ Предлагаемая в работе новая методика проектирования крепления нижнего бьефа включаетна I этапе составление макета конструкции крепления дна на базе разработанных положений классификации, с учётом начальных параметров течений (Ъ,^, ^С/Ьк) — на II этапе — расчёт высотных (8.3−8,19) и линейных размеров элементов крепления дна (8.20−8.36) в границах ступеней управления в зависимости от параметров формирования течений (,.

Ьк" Ь*/ьк. ЬзЛн< * % «А >•.

17. Расчёт высотных параметров течения в границах ступеней управления) выполняемый по зависимостям (8.3−8.19), позволяет учитывать особенности формирования течений в пространственных условиях (?>) в зависимости от их начальных параметров (В, , Я/ц) и схем гашения энергии (см. рис.8.2−8.4).

18. Составленные на основании формул волновой теории /табл.8.1/ зависимости для определения длин элементов крепления в составе 2-х ступенных схем управления (8.21, 8.23, 8*25, 8.27) позволяют использовать их для расчёта размеров /длины элементов/ водопропускного тракта низконапорных ГУ (1м ^ 6м), работающих исключительно в о коло критическом режиме сопряжения /0,5.

0,85/.

— 33 419. Выведены зависимости для определения общей длины крепления за водопропускными сооружениями (7м 25м), в составе 3-х сту-пенных схем управления для гладкого водобоя (8.29, 8*33) и гасителей реактивного типа (8.35, 8.36), включая рисберму и концевое устройство. 20. В представленных расчётных зависимостях из состава длины крепления исключены набросные /концевые участки/. Их размеры следует определять экспериментальным путём /на размываемых моделях/, для каждого сооружения отдельно, с учетом гранеостава грунта и характера основания, по аналогии с исследованиями выполненными ранее /16, 74 / ив составе поверочного этапа расчёта, результаты которого представлены в Приложении 4.