Впускные сооружения с закруткой потока и размывы за ними

Размещено на http://www.allbest.ru/

впускные сооружения с закруткой потока и Размывы за ними

М.М. Чумичева

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

Постоянный рост потребления водных ресурсов, острый дефицит воды, обусловленный неравномерностью распределения природных вод по территориям, требует применения новых эффективных технических решений в узлах пересечения водотоков. Вместе с тем, описание структуры течения, формирующегося в узле слияния потоков, является одним из сложнейших вопросов гидравлики. Актуальность решения данной проблемы объясняется также необходимостью конструктивного оформления любых соединений потоков, в частности, концевых участков сбросных сооружений.

Выбор того или иного типа конструкции впускного сооружения влияет, в частности, на размывающую способность потока за ним и определяет параметры крепления откосов и дна принимающего водотока. На размывающую способность потока в узле слияния оказывают влияние соотношение расходов водотоков, уровенный и наносной режимы, конфигурация узла соединения. Процесс формирования воронки размыва за впускным сооружением носит сложный пространственный характер, который определяется сложной кинетической структурой потока в данной области. Экспериментальные исследования показали, что зона максимальной размывающей способности не соответствует области максимальных осредненных скоростей, а приближается к границе раздела сливающихся потоков, где имеет место интенсивное вихреобразование.

Таким образом, в начальный период размыва за сооружением возникает небольшой очаг деформации дна или откоса канала. Положение этого очага несколько смещено относительно оси струи, вытекающей из сооружения, несмотря на то, что здесь имеют место максимальные значения осредненных придонных скоростей. Область начала формирования воронки размыва за впускным сооружением совпадает с областью интенсивного вихреобразования, для которой характерны повышенные значения стандарта пульсации в придонной области. Существенную роль в этом процессе играют вихревые течения, имеющие винтообразный характер и обладающие значительной наносотранспортирующей способностью. При небольшой глубине воронки размыва ось винтообразного течения занимает горизонтальное положение, а по мере углубления воронки ее положение становится наклонным. При этом способность к выносу твердых частиц сохраняется высокой и уменьшается не более чем на 5 … 10 % вплоть до формирования воронки глубиной 70 … 80 % - максимальной глубины стабилизированного размыва. При этом в начальной стадии формирования воронки размыва главенствующую роль играют вихри, образующиеся в результате взаимодействия двух потоков, а при увеличении глубины размыва все большую роль в выносе твердых частиц играют вихри, генерируемые самой воронкой. Ниже по течению за воронкой размыва возникает значительная по своим размерам зона отложения наносов - бар, представляющая собой гряду высотой 0,55 … 0,70 глубины воронки местного размыва за впуском.

Особенности конструкций впускных сооружений влекут за собой особенности формирования областей размывов за ними. В настоящее время при проектировании экономически рациональных и экологически приемлемых для окружающей среды гидротехнических сооружений все чаще применяются конструкции, использующие эффект закрутки потока. В закрученном потоке резко повышается интенсивность гашения энергии за счет его турбулизации, а в случае использования данного принципа в конструкциях впускных сооружений обеспечиваются благоприятные условия слияния потоков. гидротехнический сооружение водоток

На рисунке 1 представлена характерная картина размыва за впускным сооружением с односторонней закруткой потока. Наличие в исследуемой конструкции при работе впуска восходящей веерной струи в пределах колодца сооружения существенно изменяет картину размывов. Характер местных переформирований грунта в кассете вблизи впускного сооружения наглядно свидетельствует о размывающей способности потока, выходящего из колодца сооружения и взаимодействующего с течением в канале.

Рис. 1. Размыв за впускным сооружением с односторонней закруткой потока

Как показали исследования, простая экстраполяция экспериментальных данных по размерам воронки размыва на натурные объекты не корректна. Пересчет параметров воронки размыва, полученных на моделях разного масштаба, по известным методикам, давал расхождения с экспериментальными данными, достигающие 60 %. Вместе с тем, были получены близкие параметры воронок размыва на моделях различного масштаба при загружении кассет одинаковым размываемым материалом и при одинаковых значениях максимальных актуальных скоростей 1%-й обеспеченности. Расхождения полученных значений максимальной глубины воронки размыва для двух моделей различного масштаба не превышали 10%. Это свидетельствует о том, что определяющими факторами, влияющими на размер воронки размыва, являются значения максимальных актуальных скоростей в придонной области и физико-механические свойства грунтов.

Наибольшие размывы возникают в непосредственной близости от сооружения, за водобойной стенкой, и несколько ниже по направлению движения выходящего из впуска потока. Существенную роль в формировании зон размыва играют местные винтовые течения, зарождающиеся перед водобойным колодцем, с верховой его стороны, и разрушающиеся при резком изменении направления гребня стенки. Воронка размыва при этом начинает свое развитие в месте возникновения наиболее интенсивного винтового течения выше колодца впускного сооружения по направлению течения в канале. Глубины и площади размывов главным образом зависят от значений скоростей потока при его выходе на размываемое дно. При увеличении средних скоростей потока в канале и впускном сооружении в 2,3 раза глубины размывов возрастают почти в 2 раза. При этом двукратное изменение расходов впуска приводит к увеличению в 2,5 раза максимальной глубины размыва. Соотношение расходов впуска и принимающего водотока составляло 0,01…0,012. Установлено, что при возрастании расхода впуска и неизменном расходе канала максимальная глубина воронки увеличивается практически прямо пропорционально скорости (или расходу) впуска. В то же время увеличение расхода канала в 2,3 раза при неизменном расходе впуска практически не изменяет глубину размыва.

При возрастании глубины канала и неизменной скорости в нем, а также при том же изменении глубины и неизменном расходе канала, размывы уменьшаются приблизительно в той же пропорции.

Изменение плановых параметров конструкции, в частности увеличение радиуса колодца в 1,5 раза, не дает существенного изменения площади и глубины размыва.

Уменьшение глубины колодца на одну треть вызывает увеличение глубины размыва на 30 %. Увеличение же глубины колодца за счет повышения отметки верха криволинейной водобойной стенки на 50 %, влечет уменьшение глубин размыва на 10%.

Размывающая способность потока определяется не только абсолютными значениями скоростей, но также величиной и характером пульсации скорости. Анализ полученных данных показал, что значения пульсаций скоростей, превышающие значения для невозмущенного потока, находятся в пределах не более двух глубин канала от оси впускного сооружения, и размывы локализованы непосредственно вблизи сооружения.

Наличие двух винтовых потоков в конструкции с двусторонней закруткой впускаемого потока (рис. 2) обусловливает формирование воронок размыва с обеих сторон колодца сооружения.

По сравнению с результатами исследования размывов у впусков с односторонней закруткой потока, искажение поверхности откоса канала у впускного сооружения с двусторонней закруткой потока становится менее выраженным, что связано с ослаблением течений в придонной области непосредственно у впуска. Глубины размывов при этом уменьшаются приблизительно в 1,5…2,0 раза при тех же скоростях впускаемого в канал потока. Уменьшаются также и площади размывов у откоса канала. Максимальное удаление центра воронки размыва от стенки колодца сооружения не превышает 6 см на модели.

Рис.2. Размыв за впускным сооружением с двухсторонней закруткой потока

При изменении расхода канала в исследованном диапазоне и при неизменной скорости в нем глубины размывов практически не изменяются.

При минимальной глубине затопления колодца размывы за впуском с двусторонней закруткой потока приближаются по своей величине к значению размывов за сооружением с односторонней закруткой потока. При максимальной глубине затопления преимущества конструкции с двусторонней закруткой потока становятся более очевидными. Размывы при этом по глубине различаются в 2,0 раза.

Уменьшение глубины колодца на одну треть дает углубление воронки размыва на 30 %. А такое же увеличение высоты порога - их уменьшение всего на 5…10%.

При этом в случае, когда отметка порога оказывается выше отметки откоса, то есть порог выступает над откосом, у откоса выше сооружения возникает область обратных токов, определяющая характерное искривление эпюры скоростей в створе выше впускного сооружения.

При исследовании впускного сооружения с двусторонней закруткой потока не наблюдалось периодических выходов в транзитный поток вихрей с вертикальной осью вращения, которые имели место в конструкции сооружения с односторонней закруткой потока при малом затоплении колодца впуска и наибольшем значении соотношения расходов. Границы возмущенной зоны потока рассматриваемого сооружения имеют большую устойчивость.

Таким образом, как в конструкции с односторонней закруткой потока, так и при работе впускного сооружения с двусторонней закруткой потока всегда возникает поверхностный режим растекания впускаемого потока. При этом при работе впуска с двусторонней закруткой потока искажение поверхности откоса канала менее выражено даже по сравнению с размывами за впуском с односторонней закруткой потока, что связано с ослаблением течений в придонной области непосредственно у колодца сооружения.

Размещено на Allbest.ru