К вопросу о выборе створа водозабора на поворотных участках русел водотоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу о выборе створа водозабора на поворотных участках русел водотоков

Е.И. Шкуланов

Г.Л. Лобанов

Е.А. Савенкова

Основной задачей при проектировании речных водозаборных сооружений на криволинейных участках русел водотоков является выбор места положения створа сооружений, исключающего заиление входных оголовков. Задача усложняется тем, что в движущемся потоке на повороте происходит развитие четко выраженной поперечной циркуляции, характеризующейся наличием радиальных компонентов скоростей, направления которых совпадают с положением радиуса закругления. Существенно изменяется кинематическая структура потока: происходит перераспределение скоростей, изменяется форма живого сечения потока (для размываемого русла), которое становится ассиметричным, вертикаль с наибольшей глубиной смещается ближе к вогнутому берегу, образуется поперечный (радиальный) уклон поверхности потока, продольные местные скорости убывают от поверхности ко дну, центробежная сила у поверхности воды больше, чем у дна. Поперечная циркуляция на изгибе водотока обусловливает возникновение радиальных скоростей, при которых в верхней части вертикали поперечные скорости направлены к вогнутому берегу, а в нижней - к выпуклому. Кроме того, изменяется транспортирующая способность потока по живому сечению и наблюдается отложение наносов на выпуклом берегу и отложение крупных наносов на начальном участке вогнутого берега.

Для выбора места положения створа водозаборных сооружений, исключающего возможность занесения наносами входных оголовков, в первую очередь, необходимы данные о механическом составе наносов и величинах продольных и радиальных донных скоростей. Так, И.Л. Розовский [1], принимая распределение продольных скоростей на вертикали по логарифмическому закону, получил теоретические профили радиальных скоростей, которые с достаточной достоверностью подтверждаются данными лабораторных и натурных измерений поля радиальных скоростей.

Результаты этого теоретического решения К.В. Гришанин [2] представил в виде следующего уравнения осредненных во времени радиальных скоростей:

, (1)

где - радиальная скорость;

- глубина потока на вертикали;

- средняя продольная скорость на вертикали;

- постоянная Кармана (для открытых потоков принимаем = 0,4);

- расстояние от центра вращения до продольной оси водотока;

- безразмерная глубина, отсчитывается от дна потока;

- глубина потока в рассматриваемой точке.

Для Г. В. Железняков [3] получает формулу для донной радиальной скорости:

, (2)

где - донная радиальная скорость.

Как отмечается в работе Г.В. Железнякова [3], предельный угол поворота, при котором происходит полное развитие поперечной циркуляции, можно определить по формуле:

(3)

где - предельный угол поворота;

- коэффициент Шези;

- средняя глубина потока;

- ускорение свободного падения.

На рисунке 1 показан профиль живого сечения, направление поперечной циркуляции и распределение радиальных скоростей на одной из вертикалей.

Длина участка полного развития поперечной циркуляции определяется по формуле:

(4)

Принимая допущение, что движение на длине равнопеременное и донные струи на расстоянии от начала поворота изменяются прямопропорционально относительно длины и перемещаются от вогнутого берега к выпуклому, можно найти среднюю радиальную донную скорость:

, (5)

где - радиальная донная скорость.

Рисунок 1. Схема движения воды на излучине реки

Зная среднюю донную радиальную скорость, можно определить время , за которое донные наносы переместятся от выпуклого к вогнутому берегу:

, (6)

где - ширина водотока по дну.

За этот же промежуток времени струи переместятся в продольном направлении на расстояние . Время перемещения определится по формуле:

, (7)

где - донная продольная скорость.

Значение донной продольной скорости можно найти по формуле Г.В. Железнякова [3]:

 (8)

где - динамическая скорость;

- касательное напряжение на границе поверхности дна русла;

- плотность жидкости.

Приравняв формулы (1) и (2), подставив из формулы (3), получим следующее уравнение:

(9)

Для определения размывающей динамической скорости в зависимости от диаметра донных наносов воспользуемся опытами Н.Н. Беляшевского [4], который определял значения придонных размывающих скоростей в зависимости от диаметра донных отложений.

Исходя из того, что в придонной области распределение скорости для шероховатого русла подчиняется логарифмическому закону, Л.Г. Лойцянский [5] предложил следующую зависимость:

, (10)

где - глубина потока;

- высота выступов шероховатости;

- кинематический коэффициент вязкости.

Считая, что средняя скорость на высоте выступов шероховатости равна действительной придонной размывающей скорости, переписываем уравнение (10) в следующем виде:

(11)

По данным В.А. Базилевича [6] квадратичная область сопротивления развивается при ? 1,5 мм. Это позволяет нам использовать опытные данные Н.Н. Беляшевского для донных наносов с диаметром более 1,5 мм. Для квадратичной области сопротивления уравнение (11) можно записать в виде:

(12)

Обработав опытные данные Н.Н. Беляшевского [4] и построив зависимость действительной размывающей придонной скорости от диаметра донных отложений (рисунок 2) для диапазона диаметров донных отложений от 1,5 мм до 100 мм, получаем с достоверностью = 0,996 следующую зависимость:

. (13)

Рисунок 2. Графики зависимости размывающей придонной скорости от диаметра донных отложений

Подставляя уравнение (13) в (12), получаем:

(14)

где - размывающая динамическая скорость.

Подставляя уравнение (14) в (9), получаем формулу для определения расстояния X от начала поворота до створа водозаборного гидроузла:

, (15)

где - средний диаметр донных отложений.

Для проверки достоверности полученных зависимостей были проведены опыты в лаборатории на русловой модели в масштабе 1:10. Моделирование проводилось по Фруду с соблюдением подвижности руслослагающего материала в натуре и на модели [7]. В частности, были проведены опыты, где в качестве руслослагающего материала использовался донской песок со средним диаметром =0,4 мм. Результаты, полученные на модели, показали, что расстояние от начала поворота до створа, где прекращается отложение наносов на выпуклом берегу русла водотока (т.е. створе расположения водозабора сооружения), соответствуют расчетному уравнению (15).

Выводы:

- в движущемся потоке на поворотном участке водотоков происходит развитие четко выраженной поперечной циркуляции, изменяется транспортирующая способность потока по живому сечению, наблюдается отложение наносов на выпуклом берегу и отложения крупных влекомых наносов на начальном участке вогнутого берега; при проектировании водозаборных сооружениях возникает проблема выбора места расположения створа этих сооружений;

- для определения места расположения створа водозаборного сооружения на поворотном участке водотока рекомендуется использовать предложенную формулу (15), которая с высокой вероятностью дает достоверные результаты.

Список использованных источников

створ водозаборный сооружение гидроузел

1. Розовский, И.Л. Движение воды на повороте открытого потока / И.Л. Розовский. - Изд-во Академии наук УССР, 1957. - 188 с.

2. Гришанин, К.В. Динамика русловых потов / К.В. Гришанин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 312 с.

3. Железняков, Г.В. Пропускная способность русел рек и каналов / Г.В. Железняков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 312 с.

4. Расчеты нижнего бьефа за водосбросным сооружением на нескальных основаниях / Н.Н. Беляшевский [и др.]. - Киев: Наукова Думка, 1973. - 292 с.

5. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. - М.: Наука, 1978. - С. 736.

6. Базилевич, В.А. Исследование актуальных (максимальных мгновенных) скоростей и их связи с размывающей способностью в равномерном потоке и в нижнем бьефе водосливных плотин: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.14.09 / В.А. Базилевич - Киев, 1962. - 20 с.

7. Косиченко, Ю.М. Вероятностная модель эксплуатационной надежности крупных каналов / Ю.М. Косиченко, Ю.И. Иовчу, М.Ю. Косиченко // Гидротехническое строительство. - 2007. - № 12. - С. 39-45.

Размещено на Allbest.ru