Расчет водосливов с переменной шириной пролетов в плане Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 532.5+627.8

А. П. ГУРЬЕВ, Д. В. КОЗЛОВ, Н. В. ХАНОВ, К. С. ЕРШОВ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

РАСЧЕТ ВОДОСЛИВОВ С ПЕРЕМЕННОЙ ШИРИНОЙ ПРОЛЕТОВ В ПЛАНЕ

Рассмотрены проблемы гидравлического расчета водосброса 2 Богучанской ГЭС строительного периода. Предложен способ расчета безнапорных водопропускных трактов аналогично расчету напорных водоводов методом сбора коэффициентов сопротивлений с учетом негидростатичности распределения давления по вертикали.

Гидравлический расчет, водосбор, Богучанская ГЭС, водослив, эксплуатация гидроузла, коэффициенты сопротивления входа, пазов затворов, плавного расширения.

There are considered hydraulic estimation problems of spillway № 2 of the Boguchanskaya HEPS during the building period. The method is proposed for estimation of free-flow waterways similarly to the estimation of pressurized waterways by means of collection of coefficients of resistances taking into account unhydrostatics of pressure distribution on vertical.

Hydraulic estimation, catch basin, Boguchanskaya HEPS, spillway, operation of the hydraulic works, coefficients of inlet resistance, gate grooves, smooth widening etc.

При возобновлении в 2005 году строительства гидроузла Богучанской ГЭС возникла необходимость проектирования и строительства дополнительного, помимо донного с десятью глубинными отверстиями, поверхностного водосброса 2. Конструктивно он представляет собой пятипролетную водосливную плотину безвакуумного профиля, гребень оголовка которого располагается на отметке 199,0 м и имеет прямолинейную вставку длиной 1,69 м. Основные конструктивные особенности водосброса 2 заключаются в следующем:

водосливные пролеты водосброса 2 с шириной Ь = 10 м образованы чередующимися быками, толщина которых 6,0 и 4,0 м. В плане разделительные бычки, начиная с их середины, выполнены симметрично сужающимися вдоль по течению. Торцевая грань быков, имеющих толщину 6,0 м, сужается до 4,0 м, а имеющих 4,0 м - до 3,0 м. Такая плановая геометрия быков предопределяет несимметричную работу пролетов, начиная со створа входного сечения;

к торцевым низовым сечениям быков примыкают разделительные стенки толщиной 3,0 и 2,0 м, явля-

№ 3' 2010

ющиеся продолжением быков, имеющих толщину 6,0 и 4,0 м соответственно. В результате в створе торцевых граней быков образуются уступы высотой 0,5 м;

левая боковая стенка водосброса 2 от конца быка направлена внутрь первого пролета и, несмотря на наличие расширения первого пролета за счет изменения толщины быка и уступа за ним, уменьшает ширину отверстия на 5 %. Правая боковая стенка, направленная от водосброса 2 наружу, увеличивает ширину пятого пролета на 25 %о. В средних пролетах ширина также увеличивается на 25 % за счет уменьшения толщины быков и образования уступов за ними.

Пропуск строительных расходов было решено осуществлять через недостроенный водосброс 2 с горизонтальным порогом длиной 33,5 м на отметке 179,0 м. В целом пролеты водосброса имеют плавное и внезапное расширения в плане.

План и поперечный разрез водосброса 2 представлен на рис. 1, 2.

С учетом диапазона действующих напоров (6...9 м) и длины порога порядка 33,5 м относительная длина порога s/H = 5,58.3,72, что по

5

классификации [1] соответствует работе водосброса по схеме водослива с широким порогом.

Расход через водослив при этом определяется по формуле

Я = фк^2 *(Я0-А) (1)

где Н0 _ напор с учетом скорости подхода; 1

^ _ ^^ _ коэффициент скорости; Н — глубина на гребне водослива в сечении с плавно изменяющимся движением.

После преобразования, с учетом того, что в рассматриваемой конструк-

ции Н = Н0, получим:

Я = ть42ёН3/2, (2)

где т = ср£\/1 -к - коэффициент расхода; к = к/Н - относительная глубина на пороге.

На данном этапе расчетов возникает вопрос определения коэффициента расхода водослива с учетом его особенностей, указанных выше.

Один расчет был проведен по формуле А. Р. Березинского [2]:

К = 1-

+ р/Н

•^(1-1/в) _ коэф-

Рис. 1. План проектного варианта водосброса 2: 1 _ левобережная сопрягающая стенка; 2 _ правобережная сопрягающая стенка; 3 _ деформационные швы; 4 _ разделительные стенки между пролетами

215

н 0)

н О

205 195 185 175 165 155 145 135

\

1

/

!

-10 Ю 30 50 70 90

Рис. 2. Проектный профиль водосброса 2 на период временной эксплуатации гидроузла

110 130 150

Расстояние от РОС, м

фициент бокового сжатия; (3)

г-р/н ф

коэф-

т = 0,32 + 0,010,46 + 0,75 р/Н

фициент расхода без бокового сжатия; (4) ф = 1" l/Üf'-1 Г - коэффициент скорости; (5)

Г/В

учитывающие скругление вертикальных ребер устоев или бычков соответственно; К1/н - коэффициент, учитывающий выдвижение в верхний бьеф верховой грани устоев или бычков.

Были получены следующие значения коэффициента расхода с учетом бокового сжатия:

для крайних пролетов -в = 0,954; т = вт = 0,9540,326 =

77 пл 7 7

= 0,311 при Н = 8 м;

для средних пролетов -г = 0,981; т = вт = 0,9810,326 =

пл

= 0,319 при Н = 8 м.

Коэффициент расхода может быть определен также по (2): путем суммирования соответствующих коэффициентов сопротивления на участке от верхнего бьефа до рассматриваемого сечения на пороге водослива рассчитывают коэффициент скорости ф (аналогично расчету напорных водоводов методом сбора коэффициентов сопротивлений).

Для суммарного коэффициента сопротивления было получено следующее выражение:

относительная глубина

на пороге. (6)

Были получены следующие результаты:

для крайних пролетов -m = K-m = 0,308; K = 0,963;

пл 7 7 77

ф = 0,946; k = h/H =0,436;

для средних пролетов -m = Km = 0,313; K = 0,979;

пл

ф = 0,946; k = h/H =0,444.

Другой расчет проведен по формулам из «Рекомендаций по гидравлическому расчету водосливов» [1]:

где Вв' - расчетная ширина верхнего бьефа; *Ь/Вв - коэффициент, учитывающий плановое сжатие потока; Kr/H и Kr/B - коэффициенты,

(8)

где ^вх - коэффициент сопротивления входа; ^паз -^коэффициент сопротивления пазов затворов; £ - коэффициент сопротивления плавного расширения; - коэффициент сопротивления внезапного расширения; £ -коэффициент сопротивления, учитывающий потери по длине водосброса.

При использовании данного метода коэффициент Кориолиса принят равным а = 1,02.

На пороге водослива с широким порогом формируется кривая свободной поверхности с переменной кривизной, которая приводит к появлению негид-ростатичности распределения давления по вертикали. Негидростатичность распределения давления по вертикали может быть учтена с помощью коэффициента Р = + гДе Рср ~ величина среднего значения гидродинамического давления в рассматриваемом сечении.

С учетом негидростатичности распределения давления по вертикали имеем: для Н = 4 м = 0,109, 1

Ф

ф =

ф

= 0,941, т = qtkyll - ßfe = 0,345;

для Н = 8 м SZ, = 0,086, 1

= 0,950, т = ykjl - ßfe = 0,352; = 12 м IZ = 0,077, 0,963, т = ykJL - ßfc = 0,360;

для Н 1

ф =

для Н = 16 м IZ = 0,073,

= 0,965, т = (pkyjl - ßfe = 0,365.

4

Проведенные модельные исследования водосброса дали следующие значения коэффициентов расхода: для напора Н = 4 м т = 0,357, для Н = 8 м т = 0,376. Как видно, полученные с помощью метода интегрирования потерь значения т неплохо совпадают с результатами модельных исследований водосброса. Однако данный метод требует более подробного изучения.

№ 3' 2010

0,43

0,41

^0,39 а

|о,37

а

Он

£0,35 к

1.0,33

-©н

£ 0,31 0,29 0,27 0,25

т - 0,322 0,0 5 Я 738 -- 2 5 2" Л Д_^

______ )

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Напор, м

Рис. 3. Зависимость коэффициента расхода т водосброса 2 Богучанской ГЭС с отметкой порога 179,0 м от напора: Д экспериментальные значения; О по предложенной методике; - аппроксимирующая кривая (экспериментальные значения)

Результаты расчета коэффициента расхода т предложенным методом сбора коэффициентов сопротивлений. Результаты модельных испытаний представлены на рис. 3.

Выводы Имеющиеся рекомендации по гидравлическим расчетам водосливов с широким порогом не охватывают всего диапазона возможных конструкций, в связи с чем при конкретном проектировании возникают значительные трудности в гидравлических расчетах.

Предложен способ расчета безнапорных водопропускных трактов аналогично расчету напорных водоводов методом сбора коэффициентов сопротивлений с учетом негидростатичности распределения давления по вертикали.

Расчетные значения коэффициентов расхода по предложенной методике оказались близкими к экспериментальным значениям.

Для развития этого способа расчета необходимо экспериментальное обоснование кинематических характе-

ристик потока с негидростатичным распределением давления.

1. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Прямые водосливы. - Л.: Энергия, Ленинградское отделение. - 1974. - 58 с.

2. Березинский А. Р. Пропускная способность водослива с широким порогом. -М.: ВОДГЕО. - 1950. - 186 с.

3. Агроскин И. И., Дмитриев Г. Т., Пикалов Ф. И. Гидравлика / Под общей ред. И. И. Агроскина. - М.: Гос-энергоиздат, 1964. - 352 с.

Материал поступил в редакцию 13.04.10. Гурьев Алим Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Комплексное использование водных ресурсов»

Козлов Дмитрий Вячеславович, доктор технических наук, профессор, ректор

Ханов Нартмир Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидравлика»

Ершов Константин Сергеевич, аспирант Тел. (495)976-00-19 Факс: (495)976-10-46 E-mail: mailbox@msuee.ru