К вопросу об определении значений коэффициента скорости на низовых откосах водосбросных грунтовых плотин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 502/504 : 627.8 А. СУЛЕЙМАН

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

К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА СКОРОСТИ НА НИЗОВЫХ ОТКОСАХ ВОДОСБРОСНЫХ ГРУНТОВЫХ плотин

Рассмотрены результаты модельных экспериментальных исследований гидравлических условий работы низовых откосов водосливных грунтовых плотин, крепление которых выполнено бетонными плитами c двухступенчатой в плане прорезью.

Грунтовая плотина, ступенчатое крепление низового откоса, коэффициент

скорости.

In the article considers results of the model of experimental studies of hydraulic conditions of lower slope drains spillways dams, fixing which holds the concrete slabs of various designs

Spillway dam, stepped-block, speed factor.

Анализ результатов исследований характера изменения значений коэффициента скорости потока, движущегося по низовому откосу, крепленому плитами различных конструкций, позволил установить, что на коэффициент скорости влияют следующие параметры [1- 3]:

уклон поверхности низового откоса г; относительная длина ступеней (уступа) I/А;

относительная протяженность откоса 1п/11 .

0' кр

Ю. П. Правдивец и Нгуен Данг Шон на основании результатов своих лабораторных гидравлических исследований (крепление низового сливного откоса грунтовой плотины ступенчато уложенными плитами с прямым уступом) предложили формулу для определения величины на различных участках по длине откоса [1, 2]:

' А ^

ф = 1 -

0,014 + 0,021 у + 0,13г

х

х

/ \0,64-0,4i l

h

kp

где А и I - высота и длина каждой ступени; г -уклон поверхности низового откоса; 10 -расстояние по откосу от входного ребра сливной поверхности (от низового ребра гребня) до рассматриваемого створа, в котором определяется величина ср.

Пределы применения этой формулы следующие: 1/А = 2...8; I = 0,18...0,4; Ие = (10...65)103.

С. X. Ганем продолжил аналогичные исследования для плит конструкции П. И. Гордиенко - Ю. П. Правдивца и плиты новой конструкции - с прорезным уступом и разной схемой расположения (укладки) ее в плане [3].

Предложены следующие зависимости:

при укладке плит с прорезным уступом в «полушахматном» порядке -

ф = 0,9224 - 0,302^'9 + + ^-0,017 + 0,0000597Г1,93 )

l

+

(1)

kp

/

+

(0,0001459 + 0,0002259/0'92)

А hp

л2

при укладке плит с прорезным уступом в «шахматном» порядке -

Ь-0,23

ф = 1,20 - 0,4411i0' +

+ 1-0,0177 + 0,94Г20'03) +

kp

l

+ (0,000333 + 0,00004865i

.-1,2

fl Л2 0

hkp

(3)

Пределы применения этих зависимостей следующие: I = 0,18...0,6; 1/А = 7,5;

10/\р < 30; 3< Ег < 40; Ые > 105.

После тщательного изучения результатов многих исследований автором статьи было предложено усовершенствовать конструкцию плит для крепления низового откоса переливных грунтовых плотин. Общий вид двух вариантов конструкции предложенных плит представлен на рис. 1.

Экспериментальное изучение гидравлических условий работы плит предложенной конструкции осуществлялось в лаборатории водопропускных сооружений кафедры гидротехнических сооружений Московского государственного университета природообустройства. Методика проведения этих исследований рассмотрена в работе [4].

Значения коэффициента скорости в потоках, движущихся по плитам крепления предложенных конструкций, определяли в следующей последовательности:

первый этап - определение коэффициента скорости, исходя из следующих заданных параметров: уклон низового откоса плотины i = 0,18...0,6; относительная протяженность откоса IJh. = 20...70; относи-0' kp '

тельная длина ступеней I / А = 7,5 = const;

второй этап - определение коэффициента скорости, исходя из следующих заданных параметров: уклон низового откоса плотины i = 0,18 = const; относительная протяженность откоса l0/hk = 20...70; относительная длина ступеней if А=4... 7,5;

третий этап - определение коэффициента скорости, исходя из следующих заданных параметров: уклон низового откоса плотины i = 0,18 = const; относительная протяженность откоса l0/hk = 20...70; относительная длина ступеней 1/А = 7,5 = = const; высота гасителей аг = А = 1,2 см = = const.

Результаты исследований, выполненных в рамках опытов первого этапа, представлены на рис. 2. Эти эксперименты были проведены при трех уклонах крепленых сливных откосов (i = 0,18; 0,4; 0,6) и при 1/А =7,5 = const.

Рис. 1. Предложенный вариант конструкций плит ступенчатого крепления сливного низового откоса водосбросных секций переливных грунтовых плотин: а - с

двухступенчатой в плане прорезью и гасителями; б - с двухступенчатой в плане прорезью

20 30 40 50 60 70

lc/hKP

Рис. 2. Зависимости (р = f(l0/hKp; i; l/A = 7,5 = const) для случая крепления сливного откоса плитами с прорезью, уложенными в шахматном порядке: ♦ i = 0,18; A i = 0,4; ■ i = 0,6

а

Аппроксимация полученных кривых позволила получить группу зависимостей ф = f(l0/hkp, i, I/А = 7,5 = const) для варианта укладки плит на откосе в шахматном порядке. Эти зависимости следующие: для i = 0,18

, Ч / , 40,52-0,16i

Ф=1 -0,04 + 0,260 (h) ; (4) для i — 0,4

ф = 1 -(0,026 + 0,220• (( Г-; (5)

для i = 0,6

Ф = 1 -0,054 + 0,240 (() . (6)

Дальнейшая математическая обработка, направленная на поиск аналитического вида обобщенной зависимости, дала бы возможность получить формулу для определения коэффициента скорости потока при любом уклоне. Такая формула имеет следующий вид:

Ф = 1 --0,085+ 0,59.324}(/ h, Г-". (7)

Для определения значений коэффициента скорости в опытах второго этапа было проведено исследование на экспериментальной установке при трех относительных длинах ступеней: 1/А = 4; 6; 7,5 и при уклоне сливного откоса i = 0,18 = const. Результаты этих исследований

приведены на рис. 3. *

0,7

0,6

0.5

0,4

0,3

20

30

40

50

Рис. 3. Зависимости ф = fflo/h^; i = 0,18 = const; I/А) для случая крепления сливного откоса плитами с прорезью, уложенными в шахматном порядке: ♦Z/A = 7,5; ■ 1/А = 6;

а 1/А = 4

Аппроксимация полученных кривых позволила получить группу зависимостей ф = f(l0/hkp; i = 0,18 = const; 1/А) для варианта укладки плит предлагаемой

конструкции на откосе в шахматном порядке. Эти зависимости следующие: для 1/А = 4(1 = 4, Д=1)

Ф=1-(о,обб+а2«)• (/а,]?"-'; (8)

для 1/А = 6, (I = 6, А = 1)

ф=1-(0,046+0,26) '(10/Лкр^Г""-(9)

для 1/А = 7,5, (1 = 9, А= 1,2)

9=1 -(0,04+О,2«) ((]Рв-0И1. (10)

Математическая обработка представленных трех зависимостей дает возможность получить одну обобщенную зависи-

мость:

Ф = 1 -—36+0,028у+ 0,26^

.V

♦А. Г

Н0ДН

(11)

60 . _ 70

Vh,

Для изучения характера влияния 1/А на определение коэффициента скорости с учетом уравнения (11) можно переписать уравнение (7) в следующем виде:

Ф = 1 —0,082+0,028^^б«3-14 jx

x^) ™

Получение зависимости (12) может быть использовано проектировщиками для определения значений коэффициента скорости на откосах, крепленных плитами с двухступенчатой в плане прорезью, на этапах более детального проектирования рассматриваемых плотин.

С целью определения значений коэффициента скорости в рамках опытов, относящихся к третьему этапу, автором было проведено исследование на экспериментальной остановке при 1/А = 7,5 = const, уклоне сливного откоса i = 0,18 = const и высоте гасителя а = А =1,2 см = const.

г '

Результаты этих исследований приведены на рис. 4.

Аппроксимация полученных кривых позволила получить группу зависимостей ф = f(l0/hkj>; i — 0,18 = const; l/A — 7,5 см = const; ат = A = 1,2 см = const) для варианта укладки плит на откосе в шахматном порядке. Эти зависимости следующие:

для 1/А = 7,5 (I = 9; А = 1,2 см); i = 0,18; а =0

Ф = 1 -10,036+0,028^+0,26.

V

'б/к. Г

-0ДН

J (13)

для 1/А = 7,5 (I = 9; А = 1,2 см); i = Л 0,18; а = 0

ф=1 -

0,051 + 0,028 — + 0,26i

х

х

((hkp)

0,52 -0,16i

(Hi

0т

ж

90

40

50

00

Рис. 4. Яамииии« ф-ТО/Ъ*I=< 1/А = соооЦ щг = сопок) для случая крепле-ш сн—^и^в оноса влипни с лрореваю ■асимлвни, уяомоыни в винамн породам

♦ ф-пик* Ь 1/Ах ф-ПУК* Ь

Для большего удобства пользования приведенными зависимостями была продолжена математическая обработка рассматриваемых данных в плане поиска аналитического вида обобщенной зависимости, которая дает возможность определить значения коэффициента скорости потока на креплении из плит с двухступенчатой прорезью и с гасителями в любом случае. Оказалось, что такая зависимость может быть найдена. Эта зависимость имеет следующий вид:

Ф = 1 -0,097+0,028А^бМ3" ^х

[-4МГ

(15)

Г

Для проверки точности уравнения (15) было проведено дополнительное исследование на экспериментальной установке при трех уклонах сливных откосов: i = 0,18; 0,4; 0,6 (Z/A = 7,5 = const; а, = А = 1,2 см = const). Результаты этих исследований приведены на рис. 5.

Анализ графика, приведенного на рис. 5, позволяет сделать следующее заключение: величины, рассчитанные по зависимости (15), хорошо соответствуют опытным данным.

0,6f 0,5

70

00 30 40 50 00 , _ 70

Рис. 5. Яниниосд р - t l/A -

flfflMt) a = cent) ди случая врепления сливного оивоса шиш с прорезаю и гасителями, уюаепнми в шахматном порядке ♦ i - 0,18; ■ i - 0,4; ▲ i-0,0

Выводы

Установлено, что в исследованных диапазонах I/А = 4...7,5; i = 0,18...0,6 и ¿0/Лкр = 20...70 гидравлические сопротивления растут по мере снижения значений 1/А и с увеличением уклона.

Чтобы определить значения коэффициента скорости на откосах, крепленных плитами с двухступенчатой в плане прорезью, для условий 1/А = 4...7,5; i = 0,18...0,6 и 1/А = 20...70, на стадии предварительного проектирования можно использовать зависимость (12).

Чтобы определить значения коэффициента скорости на откосах, крепленных плитами с двухступенчатой в плане прорезью и с гасителями, для условий i/A = 4...7,5; i = 0,18...0,6; l0/hKV = 20...70, и ат = А = 1,2 см = const, целесообразно применять зависимость (15), которая также может быть использована на стадиях предварительного проектирования.

Зависимости (12) и (15) хорошо согласуются с зависимостью (1) Ю. П. Правдивца и Нгуен Данг Шона.

Перечисленными зависимостями рекомендуется пользоваться при значениях чисел Рейнольдса в диапазоне Re = (5...30)103 и чисел Фруда Fr = 1...4.

1. Нгуен Д. Ш. Исследования устойчивости водосливной грунтовой плотины на размываемом основании: дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИСИ, 1981. - 147 с.

2. Правдивец Ю. П. Исследование рабо-

ты плит крепления грунтовых откосов при переливе воды через сооружение/ Повышение надежности гидротехнических

сооружений при динамических воздействиях: сб. науч. трудов. - М.: МИСИ, 1976. -С. 57-58.

3. Ганем С. X. Совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования грунтовых водосливных плотин: дис. ... канд. техн. наук. - М.: МГУП, 1991.-С. 70-75.

4. Сулейман А. Совершенствование моделирования и эксплуатации конструкций водосбросных грунтовых плотин // При-родообустройство. - 2011. - № 2 . - С. 49-52.

Материал поступил в редакцию 16.05. 11. Сулейман Ахмад, аспирант E-mail: as79scs@hotmail.com

УДК 502/504 : 69.035.4 Д. Т. БАУТДИНОВ

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

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСВЕРСАЛЬНО-ИЗОТРОПНОГО СКАЛЬНОГО ГРУНТА ВБЛИЗИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО ТУННЕЛЯ КОРЫТООБРАЗНОЙ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ

В статье проведен параметрический анализ напряженного состояния трансвер-сально-изотропного скального грунта вблизи гидротехнического туннеля корытообразной формы сечения от нагрузки в виде собственного веса грунта. Определены тангенциальные напряжения по контуру выработки гидротехнического туннеля при различных отношениях модулей деформаций и коэффициентов Пуассона, позволяющие оценивать прочность грунтового массива при различных глубинах заложения туннеля.

Трансверсально-изотропная среда, теория упругости, плоская деформация, модуль деформаций , коэффициент Пуассона.

In the paper there is carried out a parametric analysis of the stress state of transversally isotropic rock ground close to a trough-shaped hydro-technical tunnel as a result of the loading in a way of its own weight. Tangential stresses acting along hydro-technical tunnel cutout are defined taking into account different modulus of deformation ratios and Poisson coefficients which allows evaluate rock soil massif strength at different depths of tunnel location.

Transversally isotropic medium, theory of elasticity, plane deformation, modulus of deformation , Poisson coefficient.

Подземные гидротехнические coopy- технические туннели глубокого заложе-

жения широко распространены в области ния могут возводиться с обделкой и без

гидротехнического строительства и одно- нее. Применение гидротехнических

временно являются одними из самых туннелей без обделки позволяет снизить

сложных, трудоемких и дорогих типов их стоимость на 20...30 % и сократить

сооружений, входящих в состав гидроуз- сроки строительства на 10.15 %о.

лов, мелиоративных систем и систем При проектировании гидротехничес-

водоснабжения. ких туннелей глубокого заложения,

При проходке в слаботрещиноватых проходящих в анизотропных грунтах с

скальных неразмываемых грунтах гидро- отношением модулей деформаций в

№ 4' 2011

(5Э)