16УДК 502/504:626-337:626-315.2
Бакштанин Александр Михайлович Матвеева Татьяна Ивановна Bakshtanin Alexander Mikhaylovich Matveeva Tatyana Ivanovna
Кандидаты технических наук, доценты кафедры комплексного использования водных ресурсов
и гидравлики
Candidates of Technical Sciences, associate professors Head of the Department of Integrated Use of Water Resources and Hydraulics «Российский государственный аграрный университет -
МСХА имени А.К. Тимирязева» (ФГБОУ ВО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева) Russian State Agrarian University -Moscow Timiryazev Agricultural Academy
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ВОДОБОЙНОГО КОЛОДЦА С БОКОВЫМ ВЫПУСКОМ ПОТОКА ВОДОСБРОСНОГО СООРУЖЕНИЯ ГИДРОУЗЛА ДЖЕДРА В АЛЖИРЕ
STUDIES OF THE OPERATION OF A STILLING WELL WITH A SIDE
OUTLET OF THE STREAM OF THE SPILLWAY OF THE JEDRA HYDROELECTRIC COMPLEX IN ALGERIA
Аннотация: Статья посвящена исследованию работы водобойного колодца с боковым выпуском потока. Водобойные колодцы такого типа отличаются малыми размерами строительной площадки и уменьшают стоимость строительства в горной и предгорной местности.
Abstract: Article is devoted to a research of work of a fountain well with side release of a stream. Fountain wells of this kind differ in the small sizes of the building site and reduce construction cost in the mountain and foothill area.
Ключевые слова: водобойный колодец, гашение энергии, водослив
Key words: stilling well, energy clearing, spillway
При проектировании водосбросных сооружений в виде быстротоков и перепадов, альтернативой гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе с помощью отброшенной струи является конструкция сопрягающего
Научные междисциплинарные исследования устройства в виде призматического водобойного колодца, к которому примыкает
рисберма трапецеидального поперечного сечения, расширяющегося в плане с
центральным углом роспуска до 30о.
Недостатком гашения энергии потока с помощью водобойного колодца в случае отведения воды каналом трапецеидального поперечного сечения является необходимость устройства сопрягающего участка значительной длины и с усиленным креплением, на котором осуществляется растекание потока в плане в 3-х - 4-х кратной величины по сравнению с шириной водобойного колодца [1].
Значительно сократить размеры переходного участка позволяет конструкция выходного сечения водобойного колодца по а.с. СССР № 1008347, в которой низовая грань торцевой стенки сопрягающего устоя наклонена в сторону водобойного колодца и может иметь различный угол а наклона.
Исследованы конструкции с углами а от -10 до 55о как с одинаковым, так и различными наклонами низовых граней правой и левой торцевых стенок. В результате теоретических и экспериментальных исследований предложены расчеты конструкций концевых участков водобойного колодца водосбросных сооружений, применение которых позволяет: ликвидировать сбойные течения, улучшить гидравлическую структуру потока на рисберме трапецеидального сечения, уменьшив в 2 раза относительную величину стандарта продольной пульсации при переходе угла установки ныряющих стенок от 15 до 55о; трансформировать выходящий с рисбермы поток в поверхностный режим, при этом максимально рассредоточив поток в пределах русла; уменьшить длину крепления, что позволяет сократить затраты средств и материалов на крепление русла за сооружением.
Традиционно, при многообразии конструкций энергогасящих устройств водобойных колодцев привычным остается режим отвода воды в осевом направлении (прямоосном) на входе и выходе. Соответственно данная конструкция требует выполнения прямоосного отводящего канала, который является продолжением колодца.
Проектирование и строительство водосбросных сооружений в горных районах местности сопровождается дополнительными трудностями. А именно, возведение отводящего канала, в связи с малыми размерами строительной площадки. Строительные работы в данных условиях требуют больших объемов выемки горных пород. Что в свою очередь оказывает влияние на стоимость возведения гидроузла в целом.
В данном случае, для уменьшения стоимости водобойного колодца предлагается новая конструкция. В одной из боковых стенок колодца выполняется вырез, из которого осуществляется сброс потока, противоположная ей стенка выполняется глухой. Сброс поток происходит непосредственно из вальца в гидравлическом прыжке [2].
В данной работе описана данная конструкция применительно к гидроузлу Джедра в Алжире. Водобойный колодец входит в состав шахтного водосброса c расчетным расходом Qmax = 700 м3/с при напоре Нр = 60 м.
Вода отводилась туннелем высотой 7 м и шириной 6 м, который сопрягается с нижним бьефом с помощью расширяющегося в плане водобойного колодца до ширины 30 м на выходе (рис.1).
План
Ж
Ж
33.00
57.00
90.00
1:1
9,54
Рис. 1 План и разрез по оси традиционной конструкции колодца
без бокового выпуска воды
Научные междисциплинарные исследования Для решения поставленных задач в лаборатории кафедры Комплексного использования водных ресурсов и гидравлики была выполнена модель в масштабе 1:60 натуральной величины [1,2].
На первом этапе исследовалась конструкция с прямоосным отводом потока, где были рассмотрены режимы с расходами 300, 400, 500, 600, 640, 700 м3/с, для последующего сравнения (рис.2).
Рис. 2 Работа традиционного водобойного колодца в условиях пространственного сопряжения бьефов для Q = 700 м3/с.
На основании экспериментальных данных было получено уравнение свободной поверхности воды в водобойном колодце и уравнение для описания эмпирической кривой.
Международная научно-практическая конференция Для выпуска воды из водобойного колодца в нижний бьеф, в его правой боковой стенке выполняется вырез, примыкающий к торцевой стенке водобойного колодца. При такой конструкции водобойного колодца его боковая стенка с прорезью будет работать как водослив с широким порогом, удельный расход которого определяется по следующей зависимости [3, 4]:
ц = т • • Я03/2,
(1)
где т - коэффициент расхода водослива, т = 0,32;
Н0 - напор на водосливе, предполагаемый постоянным по длине водослива (в рассматриваемой конструкции вдоль выреза)
Q = /0 дйх = /0 0.32 • • [Ы + у(х) - р]3/2йх, (2)
где ^ - первая сопряженная глубина гидравлического прыжка;
р - высота порога водобойного колодца;
у(х) - ордината свободной поверхности прыжка;
1 - длина водослива.
Для расчета функции Q = Щ) на рис.3 представлена расчетная схема для водобойного колодца с боковым выпуском воды.
Рис. 3 Расчетная схема к определению функции Q = Щ) для водобойного
колодца с боковым выпуском воды
Научные междисциплинарные исследования В процессе исследования рассматривалась работа колодца с боковым выпуском воды в том же диапазоне расходов от 300 до 700 м3/с, как и для традиционного колодца, при ширине отверстия (1) от 21 до 27 м, при различной высоте порога (р) водобойного колодца.
На основании замера были получены три кривые свободной поверхности. Две у правого и левого бортов колодца по ходу течения и третья по оси колодца. На рисунке 4 представлены кривые свободной поверхности при расходе Q = 700 м3/с, высоте порога р = 9,5 м и длине водослива 1 = 27 м. При их рассмотрении можно сделать следующие выводы:
Место начала прыжка в обоих вариантах конструкций водобойного колодца одно и то же.
Разброс уровней воды в поперечных сечениях от начала прыжка и до начала водослива не велик. Разница уровней обосновывается погрешностью измерений, которая составляет Дh = 0,3.. .0,5 м в зоне транзитного потока.
В пределах выреза в поперечном сечении колодца установлено, что глубина кривой у правого борта, проходящего непосредственно у водослива, минимальна, а кривая у левого борта обладает максимальными значениями. У торцевой стенки колодца имеется бурун с горизонтальной осью, что повлияло на резкое повышение уровня воды. Максимальная разница уровней воды для рассмотренной модели движения потока составляет 1,5 метра для частного случая работы водобойного колодца в натуре.
Глубина потока в водобойном колодце с вырезом в боковой стенке больше, чем в традиционном водобойном колодце. Это объясняется отсутствием транзитного потока в осевом направлении и более интенсивным торможением скорости, энергия которой преобразуется в увеличение глубины потока.
Наличие поперечного уклона потока в зоне выреза. Объясняется появлением кривой спада в сторону выпуска воды. Кривая спада формирует поперечную составляющую скорости потока
18 16 14 12 10 8
10 20 30 40 50 60 70 80
- кривая свободной поверхности потока у левого борта водобойного колодца по ходу течения кривая свободной поверхности потока по оси водобойного колодца
кривая свободной поверхности потока у правого борта водобойного колодца по ходу течения кривая свободной поверхности потока для традиционной конструкции водобойного колодца
Рис. 4. Изменение уровней свободной поверхности в водобойном колодце
90 1_кол,м
6
4
2
0
0
Рис. 5 - Работа водобойного колодца с боковым выпуском в условиях пространственного сопряжения бьефов для Q = 700 м3/с
Научные междисциплинарные исследования
На рисунке 5 показана работа водобойного колодца с боковым выпуском.
Анализ сопоставления профилей свободной поверхности потока для водобойного колодца с боковым выпуском и для традиционного колодца указывает на то, что начало прыжка находится для двух вариантов в одном и том же сечении. Но в водобойном колодце с боковым вырезом свободная поверхность прыжка более крутая. Для рассматриваемого примера на этом участке прыжка глубина примерно на 2 м больше. В пределах водослива средняя глубина в колодце совпадает со средней глубиной для обычного непризматического колодца, за счет формирования кривой спада [5].
Рассмотренная конструкция водобойного колодца позволяет обеспечить сопряжение выпускаемого и речного потока для широкого диапазона топографических условий компоновки гидроузла.
Библиографический список:
1. Бакштанин, А.М. Гидравлическое обоснование методов расчета водобойных колодцев с боковым отводом потока. // А.М. Бакштанин. - Дис. ... канд. техн. Наук. Москва, 2006. - 154 с.
2. Бакштанин, А.М. Теоретическое обоснование работы водобойного колодца с боковым отводом потока / А.М. Бакштанин // Природообустройство. -2008. - № 5. - С. 56-61.
3. Беглярова, Э.С. Водноэнергетические расчеты и определение основных параметров гидроэлектрических станций: уч. пособие / Э.С. Беглярова, Д.В. Козлов, А.П. Гурьев, А.М. Бакштанин, С.А. Соколова, М.: МГУП, 2006. - 121 с.
4. Иваненко, Ю.Г. Специальные задачи гидравлики рек и каналов / Ю.Г. Иваненко [и др.] - М.: АНО редакция журнала «МЭСХ», 2020. - 220 с.
5. Беглярова Э.С. Экспериментальные исследования затопленного гидравлического прыжка в непризматическом русле прямоугольного сечения при гладком горизонтальном дне / Э.С. Беглярова, А.М. Бакштанин // Природообустройство. - 2018. № 3. - С. 51-58.
