CC BY
14
-\-
УДК 627.132:532.543
Н.А.Алибеков, А.К.Алибеков
НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТКРЫТЫХ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ
В работе исследованы открытые регулирующие сооружения на нескальных грунтах: выявлены определяющие стоимость сооружения факторы, на основе разработанной программы проведено множество расчетов на ЭВМ, установлено влияние каждого фактора на стоимость открытых регуляторов, выявлены оптимальные области, предложены рекомендации по их проектированию.
Ключевые слова: регулятор, водозабор, водовыпуск, водосброс, вододелитель.
Введение. Из различных сооружений мелиоративные каналы являются самыми протяженными. Из большого количества гидротехнических сооружений на них значительную долю составляют регуляторы. Они используются в качестве водозаборных, перегораживающих, промывных, сбросных и других видов сооружений. Поэтому даже частичная оптимизация их отдельных элементов приведет к существенной экономии средств по водохозяйственной системе в целом. Отсюда вытекает актуальность поиска оптимальных решений при проектировании указанных сооружений.
Цель исследований заключалась в выявлении факторов, определяющих стоимость регуляторов на нескальных грунтах, проведении необходимых расчетов, установлении влияния каждого фактора на стоимость регулятора и разработке практических рекомендаций по проектированию оптимальной конструкции открытых регулирующих сооружений.
Для исследования был принят открытый регулятор с различными элементами подземного контура (без шпунтов, с понурным, центральным и водобойным шпунтами в отдельности и в комбинациях) (рисунок 1). Тип сопряжения подводящего и отводящего участков с сооружением осуществлялся тремя способами: в виде обратной стенки, ныряющей стенки и раструба с обратной стенкой (рисунок 2). Для количественной оценки этих конструкций введен коэффициент формы а, который имеет значения: 0,2 - для обратной стенки при фронтальном отводе; 007 - для обратной стенки с конусом при боковом отводе; 0,075 - для ныряющей стенки; 0,13 ... 0,07 - для формы раструба [6].
В случае отогнанного прыжка в качестве гасителя энергии принят водобойный колодец, образованный уступом. Конструктивно колодец расположен на водобое, далее предусмотрена каменная рисберма, переходящая к неукрепленному руслу с помощью каменного зуба. За рисбермой допускалось образование удаленной и безопасной воронки местного размыва. В качестве грунтов основания рассмотрены связный (суглинок) и несвязный виды грунтов однородного гранулометрического состава. Ширина нижнего бьефа принята равной ширине конца рисбермы, ширина верхнего бьефа принята равной ширине нижнего бьефа (русло до и после сооружения имеет одинаковую форму и размеры), Длина рисбермы была переменной и определялась условием равенства диаметра каменной наброски в конце рисбермы диаметру частиц грунта, слагающего отводящее русло. Наибольшая длина рисбермы ограничивалась двумя длинами водобоя
[5, 8].
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.
А-
Рисунок 1 - Открытый регулятор на канале: 1 - понурный шпунт; 2 - понур; 3 - центральный шпунт; 4 -водобой; 5 - водобойный шпунт; 6 - рисберма; 7 - крепление откосов плитами или камнем; 8 - береговые устои; 9 -служебный мост; 10 - затвор; 11 - каменный зуб.
N
гтттт А
/ Е г -1
1 1 1
1 - 1111
-
Л
аЗ
н
Рисунок 2 - Тип сопряжения: а - обратная стенка; б -ныряющая стенка с
закруглением; в - обратная стенка с конусом (боковой отвод); г -раструб с обратной стенкой; д -ныряющая стенка (боковой отвод); е - ныряющая стенка с
Определяющие стоимость открытого регулятора факторы и диапазоны их варьирования установлены на основе литературных данных, типовых проектов, практики [3, 7 и др.]. Таковыми являются: расход Q. изменяющийся до 50,0 м3/с, перепад уровней Дг - до 5 м, глубина воды в нижнем бьефе Ън - до 4,0 м, напор на входе в регулятор Н - до 4
,0 м, скорость в подводящем канале у0 - до 3,0 м/с, высота порога со стороны верхнего бьефа св - до 1 м, форма верховой грани порога Оф (скругленная, наклонная, притупленная и др.), грунт основания, глубина залегания водоупора Тд - до 35 м, угол отвода потока а - до 900 , типы входной и выходной частей и материал их возведения, длина понура и др.
Таким образом, стоимость регулятора в общем случае можно записать в виде следующей целевой функции:
ст = У0, Н, Ин, с в, Оф, грунт (ёг), 81, 82, 83, Тд, 1уух, 1п ,а). (1)
где обозначено: туух - типы входной и выходной частей,
81, э2, э3 - соответственно длины понурного, центрального и водобойного шпунтов,
ёг - диаметр частиц несвязного грунта или размер отрываемых отдельностей для связного
грунта,
1п - длина понура.
Перепад между уровнями верхнего и нижнего бьефов Дг в (1) учтен неявным образом: Дг = Н + св - Ин.
Как видно из (2) поиск оптимального решения усложняется из-за многофакторности искомой функции. Так, при варьировании каждого из перечисленных 14 факторов хотя бы на трех уровнях необходимое число расчетных вариантов получается равным N = 314 = 4 782 969. Рассчитать столько вариантов невозможно. С другой стороны, не рассмотрев все варианты, невозможно однозначно сказать об оптимальных размерах регулятора. В таких случаях прибегают к допущениям, упрощениям (хотя бы для частичного решения задачи), используют аппарат математического планирования эксперимента и средства вычислительной техники.
С целью облегчения выполнения расчетов по поиску оптимальной конструкции регулятора предварительно был выполнен подробный обзор имеющихся рекомендаций, выявлены расчетные зависимости и разработаны алгоритмы и программы расчета [1]:
- входной части регулятора;
- подземного контура регулятора с последующей проверкой казуальной и фильтрационной прочности грунта основания и определением фильтрационного расхода (для случая плоской задачи);
- типа сопряжения с нижним бьефом при истечении из-под щита;
- водобойного колодца, образованного уступом (в случае необходимости его устройства);
- рисбермы, выполненной из каменной наброски.
Параметры подземного контура определялись для расчетного случая - при значении глубины воды в нижнем бьефе Ин = 0 [3, 5, 8]. А при расчетах сопряжения бьефов и рисбермы принят вариант, соответствующий максимальной длине отгона гидравлического прыжка [4, 6 и др.]. Минимальная длина флютбета ограничивалась конструктивно 3,0 м из условия размещения плоских затворов, а в остальных случаях эта длина определялась гидравлическими расчетами при условии расположения прыжка и водобойного колодца, а затем найденные размеры флютбета проверялись по условию фильтрационной прочности грунта основания и на выпор на участке выхода фильтрационного потока. Под рисбермой предусмотрен обратный фильтр толщиной 0,3 м. Большая часть расчетов выполнена для выходной части в виде обратных стенок, чтобы в конструктивном отношении они работали как ребра жесткости для устоев. Толщина армированных устоев поверху принята равной 0,15 м, а конструкция устоев и плиты основания - в виде доковой конструкции, учитывая, что при этом устои своим весом давят на плиту основания и тем самым позволяют уменьшить толщину плиты основания, определяемую из условия выдерживания силы противофильтрационного давления.
Разработанное прикладное программное обеспечение позволило автоматизировать процесс проектирования открытого регулятора и поиск оптимальных значений
определяющих факторов, включая сопряжение сооружения с подводящим и отводящим участками каналов. Таким образом, для изучения влияния указанных факторов на стоимость регулирующих сооружений проведен численный эксперимент на ЭВМ. По результатам расчетов около 100 вариантов можно отметить следующее (графическое представление дано на рисунках 3 - 8).
Зависимости стоимости регулятора ст и объема бетона убет от расхода Q при постоянных прочих факторах являются возрастающими, то есть при пропуске больших расходов нужно проектировать более крупные и соответственно дорогостоящие регулирующие сооружения (рисунок 3). В ранжированном ряду факторов, представленных в убывающем порядке по степени влияния на стоимость регулятора, расход является одним из главных факторов. На стадии эскизного проекта по данному графику проектировщик может ориентироваться в отношении стоимости регулятора в нынешних ценах, зная величину расхода. Учитывая, что в условиях рыночной экономики цены могут изменяться в зависимости от региона строительства, сезона, дальности от населенных пунктов, наличия дорог и других условий на рисунке 3 приведена также и зависимость объема бетона от расхода убет = Целесообразность такого графика
очевидна: по величине расхода можно определить необходимый объем бетона, который путем умножения на стоимость 1 м3 бетона на текущий момент времени позволит судить о стоимости объекта проектирования. При этом необходимо иметь в виду, что в случае каменной рисбермы, как в рассматриваемом случае, по данным многочисленных расчетов бетонные работы составляют примерно 60 - 70% от стоимости всего объекта, а в случае бетонной рисбермы - 90 - 95%. По данным многих авторов бетонные работы составляют до 95% от стоимости большого числа гидротехнических сооружений.
Что касается зависимости ст от скорости подхода потока \0 к сооружению, то при увеличении у0 более 0,5 - 1,0 м/с суммарная стоимость сооружения уменьшается более интенсивно. А характер изменения объема бетона Убет определяется следующим обстоятельством. При малой скорости подхода у0 и при неизменных значениях расхода и других параметров получается большая ширина регулятора. В результате на возведение водобоя требуется много бетона. А высота устоев при этом получается небольшой, на их возведение требуется соответственно мало бетона. С увеличением \0 увеличивается полный напор и соответственно уменьшается ширина регулятора и увеличивается высота устоев и соответствующий объем бетонных работ. А суммарный объем бетона по сооружению в целом получается минимальным при у0 = 1,5 м/с, это и является оптимальной скоростью.
Графики стоимости ст и Убет от высоты порога водослива св является монотонно возрастающим (рисунок 4). Это объясняется тем обстоятельством, что с увеличением св увеличивается фильтрационный напора на входе, а значит, растет и стоимость регулятора для любого типа подземного контура. Поэтому основная часть расчетов выполнена при нулевой высоте порога и это значение св = 0 можно считать оптимальным.
Ожидаемый результат получился при варьировании угла отвода потока а. Его увеличение приводит к росту стоимости регулятора. Однако объем бетона с ростом а практически не изменялся (в исследованном диапазоне изменения других факторов). Заметным является увеличение каменных работ, что, видимо, можно объяснить повышенной турбулентностью потока и необходимостью гашения турбулентных пульсаций скоростей и давлений на рисберме при более резком подходе потока к сооружению по сравнению с нормальным случаем а = 0 (рисунок 5).
Влияние на стоимость регулятора напора на сооружении Н показано на рисунке 6: оптимальным представляется значение Н = 1,0 м. Это объясняется теми же причинами, что и в случае со скоростью подхода. А именно: при малых напорах и постоянном расходе ширина регулятора получается большой, значит, имеем широкий водобой, а устои получаются невысокими. И, наоборот, при большом напоре ширина регулятора получается малой, а устои высокими. Их суммарная стоимость и определяет оптимальное
значение. Характер изменения стоимостных показателей в зависимости от напора на сооружении Н сохранился и при других значениях расхода, длины центрального шпунта, вида грунта и глубины залегания водоупора. Считаем тем не менее, что для поиска однозначного оптимума надо рассчитать еще большее число вариантов. Ведь напор на сооружении определяется многими факторами: расходом, геометрическими размерами и формами участков подхода и транзитной части сооружения, уклоном подводящего канала, подпором нижнего бьефа и т.д.
Рассмотрим далее роль различных шпунтов в стоимости регулятора. Основная идея их устройства заключается в том, что при их забивке удлинится длина пути фильтрации, уменьшится толщина водобоя и можно построить регулятор меньшей стоимости. При этом улучшается также и фильтрационная прочность грунта основания.
Стоимость регулятора в зависимости от длины понурного шпунта s1 является неоднозначным и зависит от значений других факторов. Так, по данным расчетов при длине понура 1п < 4,0 м увеличение s1 приводит к уменьшению стоимости регулятора. Дальнейшее увеличение длины понура проводит к увеличению фильтрационного пути, а забивка понурного шпунта приводит лишь к дополнительным затратам.
В отношении центрального шпунта можно сказать следующее (рисунок 7). Зависимости ст = /(э2) являются непрерывно убывающими, значит, выгоднее применять схему подземного контура с центральным шпунтом, если условия производства и грунты основания позволяют это сделать. В отношении оптимальной длины центрального шпунта можно сказать, что наименьшая стоимость регулятора получается при наибольшей глубине забивки. В исследованном диапазоне изменения факторов имеем значение э2 = 6 м.
Результаты расчетов при изменении длины водобойного шпунта э3 подтвердили известный факт: при увеличении э3 увеличивается противодавление, водобойная плита получается более массивной и сооружение становится дороже. Отсюда обычно рекомендуемые мероприятия: низовой шпунт не делать, но если это необходимо для предотвращения выпора грунта на участке выхода фильтрационного потока в нижний бьеф, то низовой шпунт нужно предусмотреть перфорированным и тогда дополнительное противодавление с флютбета снимется.
Представленные на рисунке 7 результаты позволяют частично отметить влияние грунтов основания на стоимость регулирующего сооружения. Стоимость оказывается меньше при связном грунте (суглинке), далее при крупнозернистом песке и мелкозернистом песке. Это зависело от крупности частиц грунта ёг, отрываемого при размыве отводящего русла, когда величина отрываемых отдельностей для суглинка была принята равной 4 мм, то есть с увеличением крупности грунта отводящего русла уменьшается стоимость крепления нижнего бьефа, а это уменьшает стоимость всего сооружения.
Как было выше отмечено, расчеты проводились и при переменной длине понура 1п (рисунок 8). Оптимальная длина понура получена равной 3,0 м. Это с одной стороны подтверждает рекомендации, приведенные в [2, 6]. С другой стороны, при различных значениях остальных факторов оптимальная длина понура получилась равной 4,0 м. Это еще раз указывает на сложность и многофакторность исследуемой целевой функции, на необходимость исследования всей ее области определения.
Рисунок 3 - Зависимости
ст = Ш) и Убет =
оС
70
50 30 10
град /
= f (о / \ / /
И у
\ у
/ У \ у
у •к
/
/ V т=5" ',2 ... 57,5 л3 = с onst
/
160 162 1É 54 166 ст,тыс.руб
M И iO- s*
T=U( H "1
"бе Nj П )
Ст = f(h )
s*
/ tpr
i
~<> =
-o-
30 1i 0 170 190 i Стдыс.руб
245
255
265
275 VKaM,M3 до
50
60
70
80 убегм3
Рисунок 5 - Зависимости Ст = f(a) и Убет = fi(a)
Рисунок 6 - Зависимости
ст = ДН) и У бет =)1(Н)
4,0
2,0 —•
M -
T = f(
1 V eî=fl :in)
M -- 0
17 0,5 171,0 17' ,5 , Стдыс.руб
о
57,0
57,5
58,0
58,5 убет'м3
Рисунок 7 - Зависимости Ст = f(S2, вид грунта)
Рисунок 8 - Зависимости
ст = /(Iп) и У бет = ¡1(1п)
Обобщенный сравнительный анализ результатов расчетов около 100 вариантов при различных значениях факторов позволяет сделать следующие выводы.
1) Исследуемое явление является сложным и многофакторным: все зависит от конкретных значений и сочетаний значений факторов. Поэтому разработанное программное обеспечение позволит рассчитать конкретные случаи и автоматизировать процесс проектирования регулирующих сооружений.
-\-
2) Рекомендации практического применения оптимальных значений факторов
видны из приведенных графиков и из вышеприведенного анализа влияния на стоимость регулятора отдельных факторов.
3) Полученные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе по дисциплинам гидравлика сооружений, гидротехнические сооружения, а также при дипломном проектировании, при разработке реальных проектов водохозяйственных объектов проектно-изыскательскими организациями на стадии эскизного проекта и студентами и аспирантами при проведении научно-исследовательских работ.
Библиографический список:
1. Алибеков А. К. Методические указания к лабораторным работам по САПР водохозяйственных объектов для специальности 280401 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель.- Махачкала: ДГТУ, 2009. - 32 с.
2. Алибеков А. К., Баламирзоев А.Г. Оптимизация параметров открытых регуляторов: тр. меж. науч. практич. конф. 6 - 9 апр. 2009 г. Инженерные сети 2009 - М.: РУДН, 2009. -Т. II. - С. 573-580.
3. Буртыс Ю.Ф. и др. Руководство по проектированию и гидротехническому расчету регулирующих мелиоративных сооружений/ Буртыс Ю.Ф., Филиппович И.В., Черник П.К., Гатило С.П., Кушнир Н.Н., Титов А.С., Щитников Г.П. - Минск: Уроджай, 1984. - 96 с.
4. Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К. и др. Проектирование гидротехнических сооружений. - М.: Колос, 1977. - 384 с.
5. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 624 с.
6. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям /Под ред. В.С.Лапшенкова. - М.: Агпромиздат, 1989. - 448 с.
7. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения. - М., 1986. - 59 с.
8. Чугаев Р. Р. Гидротехнические сооружения. В 2 ч. 4.II. Водосливные плотины. - М.: Агропромиздат, 1985. - 302 с.
N.A.Alibekov, A.K.Alibekov
Some recommendations of design of open adjusting constructions
In this work are investigated open adjusting constructions on the earth: are discovered the factors defining the cost of construction, on the basis of developed program are carried out a number of calculations on the computer, are established the effects of each factor on the cost of open regulators, are discovered the optimum areas, are offered recommendations about their design.
Алибеков Назим Алиевич (р. 1984) Менеджер фирмы «Термолюкс», г.Москва. Окончил Дагестанский государственный технический университет (2006) Область научных интересов: Системы отопления, вентиляции, водоснабжения Количество публикаций около 5
Алибеков Али Казибекович (1955) Доцент кафедры МРиОЗ Дагестанского государственного технического университета, кандидат технических наук (1988), доцент (1993). Окончил Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (1980) Область научных интересов: Автоматизация проектирования и оптимизация параметров сооружений водохозяйственных комплексов Автор около 60 научных работ
