Научное обоснование гидравлических параметров металлических сифонных водосбросов низконапорных гидроузлов

Актуальность проблемы. В настоящее время вопрос о реконструкции существующих прудов и малых водохранилищ, как в России, так и за рубежом, становится все актуальнее. С момента строительства на большинстве гидротехнических объектов не было проведено ремонтных работ, изменился климат, уровни обеспеченности расходов. По этим причинам существующие водосбросные сооружения пришли в упадок или не соответствуют требованиям по надежности, в связи с этим в настоящее время назрела необходимость произвести реконструкцию основных сооружений гидроузлов, в том числе водосбросных сооружений.

Одним из основных требований к процессу реконструкции является условие непрерывной эксплуатации сооружения без опорожнения водоема и жёсткие требования к качеству воды. Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет конструкция трубчатого сифонного водосброса, устройство которого можно осуществить не прекращая эксплуатацию малого гидроузла. Это обеспечивается укладкой водосбросных труб поверх гребня существующей плотины (дамбы).

В данных условиях эти водосбросные трубы будут работать по принципу сифона, поскольку при работе труб полным сечением верхний участок их будет расположен выше уровня, питающего эти трубы. Горло сифона для этой цели располагают на отметке нормального подпорного уровня.

Сифонные водосбросы широко используются в практике гидротехнического строительства для обеспечения автоматического подержания уровня верхнего бьефа в заданных пределах.

Традиционно применяемые сифонные водосбросы имеют прямоугольное поперечное сечение достаточно больших размеров. Зарядка сифона осуществляется отклонением нижней части струи, переливающейся через гребень входного сечения, к шелыге водопропускной трубы. За счет защемления воздуха струей в потолочной части, происходит быстрый вынос воздуха и зарядка сифона при небольшом подъеме УВБ (5−10 см).

Спецификой работы трубчатых сифонных водосбросов, являются незначительные параметры струи в нижней части при малых напорах на гребне входного сечения трубы и низкая эффективность создания вакуума при отжиме струи к верхней части трубы. Следствием этого является необходимость значительного подъема УВБ для зарядки трубчатого сифона. В этих условиях на первый план встает вопрос о времени его зарядки и о максимальной величине подъема УВБ, обеспечивающего работу сифона полным сечением.

Целью работы является научное обоснование и разработка методов расчета пропускной способности и режимов зарядки трубчатого сифонного водосброса, выполненного из стальных труб стандартного диаметра.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:

— произвести анализ и обобщение результатов предшествующих теоретических методик расчета и гидравлических исследований трубчатых сифонных водосбросов- -получить теоретические расчетные зависимости, позволяющие определить продолжительность переходных режимов работы сифонного водосброса- -осуществить экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при реконструкции гидроузлов;

— определить пропускную способность сифона при различных режимах работы;

— разработать рекомендации по совершенствованию конструкции сифонного водосброса.

Научная новизна работы заключается в следующем: -получены теоретических расчетных зависимостей для определения времени зарядки сифона;

— предложены теоретические зависимости пропускной способности сифона при наличии воздушного пространства в надструйном пространстве;

— установлены расчетные зависимости параметров струи при работе сифона в режиме водослива;

— получены экспериментальные данные для определения времени зарядки сифона;

— получены экспериментальные данные, позволяющие осуществлять гидравлические расчеты сифона в зависимости от уровней верхнего бьефа, вакуумного режима в трубе сифонного водосброса, изменения давления в сифоне в зависимости от уровня верхнего бьефа- -определены максимальные значения уровня верхнего бьефа в зависимости от скорости его подъема- -реализована качественная оценка влияния конструктивных параметров на пропускную способность сифона Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований и предложенные расчетные теоретические и экспериментальные зависимости позволят выполнять гидравлические расчеты трубчатых сифбнных водосбросов и их проектирование в широком диапазоне параметров малых гидроузлов.

Достоверность результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием протарированных приборов, средств измерения давлений и обработаны по современным методикам. Достоверность предложенных рекомендаций обоснована значительным объемом модельных исследований, определенным планированием эксперимента, с последующим их анализом.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции («Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении» .) Москва 2003гна кафедре «Комплексное использования водных ресурсов» МГУП, 2004 г., на Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи НТТМ.

2004 (Москва, ВВЦ, 7−10 июля 2004 г.), на научно технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства в 20 042 005 г. г. По теме диссертации опубликовано 8 статей.

Результаты исследований сифонных водосбросов внедрены на объекте Аль Синн в Сирийской Арабской Республике.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, насчитывающего 74 наименований и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, иллюстрирована 84 рисунками, содержит 12 таблиц.

5.10. Выводы.

Проведенный статистический анализ позволяет сделать заключение о достоверности экспериментальных данных и возможности применения полученных регрессионных выражений при расчетах трубчатых сифонных водосбросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Процессы, происходящие в трубчатых сифонных водосбросах весьма сложны и в настоящее время нет возможности аналитическим путем произвести расчеты режимов зарядки и включения сифона в работу. В доступной для изучения литературе приведены методики расчетов сифонных водосбросов уже находящихся в заряженном режиме.

Методик расчетов переходных режимов сифонных водосбросов в изученной литературе не приводится.

2. В диссертационной работе получены теоретических расчетные зависимости для определения гидравлических параметров трубчатых сифонных водосбросов, подтвержденные экспериментальными данными.

3. Экспериментальное обоснование возможности использования сифонных водосбросов в гидротехнической практике при проектировании, строительстве и реконструкции речных гидроузлов основывается на:

— компактности сооружения- -автоматичности их включения- -чувствительности к повышению уровня- -большой надежности работы;

— возможности сооружения водосброса после введения в эксплуатацию глухой грунтовой плотины;

4. Экспериментальные исследования позволили получить зависимости для гидравлических расчетов сифонных водосбросов таких типов.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлена необходимость большой форсировки уровня верхнего бьефа для первичной зарядки сифона, которая возможна при минимальном напоре, равном 0,5D диаметра сифона в условиях стабильного состояния уровня верхнего бьефа.

6. Исследование зарядки сифона в условиях растущего уровня верхнего бьефа показали, что величина форсировки и время зарядки зависят от скорости подъема УВБ и достигает 0,7D диаметра сифона при скорости 6,4 мм/мин.

7. Рассмотренные в экспериментальных исследованиях модификации капюшона позволили разработать оптимальную конструкцию, которая может быть использована в проектной практике.

8. Изучено распределение вакуума по длине трубы водосброса. Установлено, что максимальный вакуум возникает во входном сечении. Максимальное значение вакуума зависит от уклона трубы и при 1=0,1 достигает величины 0,5 действующего напора сифона. Образования в нем вакуума. Полученные данные позволяют выполнить расчеты прочности и устойчивости оболочки сифона.

9. Предлагаемая конструкция концевого устройства сифона в виде ковша со стенками, расположенными на уровне шелыги выходного сечения, обеспечивает наиболее быстрое начало зарядки сифона.

10. До момента зарядки сифона ковш работает как водослив с переливом воды по всему периметру, после зарядки — как рассеивающий трамплин. Это обеспечивает благоприятные условия работы за счет резкого уменьшения удельных расходов в 5−8 раз.