CC BY
25
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СООРУЖЕНИЙ ФЛЮТБЕТА ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН НА
НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ
З.А.Курбанова
Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
На сегодняшний день в гидротехнике нет каких-либо точных методик и рекомендаций для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин и соответствующих им параметров сооружений водосливного фронта (флютбета), с учетом всех сопутствующих сооружений флютбета. Наиболее распространенным в практике проектирования и гидротехнического строительства методом определения q3K. является
метод, основанный на зависимости суммарной стоимости CT затрат на тело плотины, устройств нижнего бьефа (водобойная плита, рисберма) и приращиваемой части грунтовой плотины, примыкающей к водосливной, от удельных расходов q водосливных плотин.
Расчетная схема данного метода, в которую входит водосливная плотина, водобойная плита (или колодец) и рисберма, является весьма упрощенной, так как в водосливной фронт низко- и средненапорных гидроузлов на нескальном основании, как правило, входят: водосливная плотина, являющаяся элементом подпорного фронта гидроузла и сооружения, состоящие из устройств, относящихся к сопряжению бьефов и гашению избыточной энергии водосбросного потока - это концевые участки водосбросов, устои, быки, понур перед плотиной, водобойные сооружения, рисберма, концевое крепление за рисбермой, а также участок неукрепленного русла от концевого крепления до створа с условиями течения, близкими к бытовым. Данный метод расчета q является приближенным и при ручном счете
требует значительных трудовых и временных затрат для гидравлического расчета плотины и сопутствующих сооружений, расчета параметров всех сооружений, их объемов, стоимости и т.д. Поэтому во многих случаях расчетную величину q чаще всего назначают на основании практики строительства таких плотин на нескальном основании.
В результате проводимых в последние годы исследований на кафедре Гидротехнических сооружений ДГТУ, была разработана усовершенствованная методика и алгоритм расчета удельных экономичных расходов водосливных плотин на нескальном основании и соответствующих им оптимальных параметров сооружений флютбета, учитывающая все основные сооружения водосливного фронта водоподпорных водосливных сооружений на нескальном основании и процессы размыва в нижнем бьефе. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета приведена на рисунке 1.
В результате программной реализации данного алгоритма разработан программный комплекс для расчета оптимальных параметров основных сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин на нескальном основании, с учетом общего размыва русла реки и понижения уровня воды в нижнем бьефе. Комплекс состоит из 29 основных и 8 вспомогательных процедур (подпрограмм, модулей и функций).
Основные подпрограммы: Fixed_weir - головная программа: программа расчета удельных экономичных расходов водосливных плотин; Ground - подпрограмма расчета характеристик грунта основания плотины; Depth - подпрограмма расчета нормальной глубины воды в нижнем бьефе; Weir - подпрограмма расчета многопролетного водослива практического профиля; Wei_1 - подпрограмма расчета многопролетного водослива практического профиля при заданном удельном расходе воды; Reach Connection -подпрограмма расчета сопряжения бьефов за водосливной плотиной; Depthc -подпрограмма расчета глубины потока за плотиной в сжатом сечении; Vdp_1 -
подпрограмма расчета водобойной плиты без специальных гасителей; Уёр_2 - подпрограмма расчета водобойной плиты с реактивными гасителями; ¥\й - подпрограмма-функция расчета толщины плиты при наличии на водобое гасите лей энергии;
Рис.1 - Укрупненная блок-схема алгоритма расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин на нескальном основании
Fkr - подпрограмма-функция определения коэффициента размывающей способности потока; Wall - подпрограмма расчета водобойных стенок; Well - подпрограмма расчета водобойного колодца; Combine_well - подпрограмма гидравлического расчета комбинированного водобойного колодца; Downstream apron - подпрограмма расчета бетонной рисбермы; Apronfromstone - подпрограмма расчета рисбермы, выполненной из камня; Scour_pit -подпрограмма расчета глубины ямы размыва за рисбермой; Velocityl и Velocity_2 -подпрограммы расчета допускаемой неразмывающей скорости потока для несвязных и связных грунтов; Endstrength - подпрограмма расчета концевого крепления; Fds -подпрограмма-функция расчета диаметра камня наброски; Abutmentl- подпрограмма расчета бетонных стен-устоев; Abutment_2 - подпрограмма расчета железобетонных стен-устоев; Abutment_3 - подпрограмма расчета ячеистых стен-устоев; Volume_of_work -подпрограмма расчета объемов работ по сооружениям водосливного фронта; Cost -подпрограмма расчета стоимости плотины и сооружений водосливного фронта; Dam -подпрограмма расчета параметров сооружений водосливного фронта и удельных экономичных расходов при заданном массиве удельных расходов плотины; NBScour -подпрограмма расчета общего размыва русла и понижения уровня воды в нижнем бьефе гидроузла; Sediment - подпрограмма расчета транспорта руслоформирующих наносов. Вспомогательными подпрограммами являются: Fixed_weir_inp - подпрограмма ввода исходных данных в основную программу Fixed_weir; Fixed_weir_out - подпрограмма вывода в текстовые файлы результатов расчетов; Fall_velocity - модуль данных о гидравлической крупности наносов; Lint - подпрограмма линейной интерполяции; Direct_func_iter -подпрограмма использования метода итерации для нахождения аргумента прямой функции по заданному ее значению; Reversjfuncjter - подпрограмма использования метода итераций для нахождения аргумента обратной функции по заданному ее значению; Cost_min -подпрограмма поиска минимума функции - зависимости стоимости сооружений водосливного фронта от удельного расхода; Weir data arrays - модуль объявления данных и динамически размещаемых массивов.
Подпрограммы Dam и NB Scour имеют автономное положение в программном комплексе и включаются при задании соответствующих значений признаков счета Lcount и Lscour : 0 - выключено, 1 - включено. Программа Dam предназначена для научных исследований: расчета ординат графика зависимости СТ = f(q) и изучения влияния на удельный экономичный расход q3K различных сооружений водосливного фронта, параметров плотины и гидравлических параметров верхнего и нижнего бьефа. Для этого в ней формируется и используется массив удельных расходов воды qu(n) и обеспечивается синхронный вывод в текстовые файлы для каждого удельного расхода основных расчетных параметров всех сооружений водосливного фронта: геометрических, гидравлических и экономических, что позволяет строить и исследовать различные графики зависимости между указанными параметрами.
Входными данными являются: признаки счета; расчетный расход и ширина реки; размеры массивов уровней верхнего и нижнего бьефов, и удельных расходов; стоимости строительных материалов; гранулометрический состав русловых отложений, а также дополнительные данные для характеристики сооружений и русла реки.
Выходными данными являются: гидравлические параметры водослива и нижнего бьефа; геометрические размеры сооружений водосливного фронта; геометрические параметры стен-устоев; объемы бетонных и земляных работ; стоимость сооружений водосливного фронта; характеристики потока и русла в нижнем бьефе до и после размыва.
Программа написана на алгоритмическом языке Фортран Power Station 4.0 (стандарт языка Фортран 90), снабженном средой Microsoft Developer studio (мастерская разработчика), которая работает под управлением Windows и имеет удобный пользовательский интерферейс для создания, компиляции, связывания, отладки, выполнения программ и просмотра
результатов расчета. Программный комплекс имеет модульную структуру, позволяющую включать и исключать из расчетов отдельные сооружения входящие в водосливной фронт, а также выбирать различные типы и конструкции сооружений.
Разработанная методика и программный комплекс тестировались на реально построенных объектах, в частности, водосливных плотинах Волгоградского и Цимлянского гидроузлов. Обе эти плотины находятся на нескальном основании, имеют безвакуумный практический профиль и имеют близкие по значению гидравлические параметры.
В результате численного эксперимента были получены расчетные параметры плотин и сопутствующих сооружений, которые оказались близки к реальным параметрам данных плотин. Ниже приводятся некоторые результаты численного эксперимента.
Волгоградская плотина Показатели: Реальные Расчетные % отклонения
^ ^ 2 Удельный экономичный расход , м/с ... 43,7 41,85 5,3
Ширина плотины Вил , м........................ 696 737 5,4
Число водосливных отверстий (пролетов) Мпр 26 26 0
Глубина понижения водобойной плиты ё, м ... 1 0,3 70
Толщина водобойной плиты Ттд, м............... . 4,5 4,5 0
Длина водобоя Ьеод, м................................ 55 63 14
Длина рисбермы £ , м ........................... 124 117 6
Цимлянская плотина
Показатели: Реальные Расчетные % отклонения
Удельный экономичный расход , м2/с 50 35,4 26
Ширина плотины В , м .......... 495 661 25
Число водосливных отверстий (пролетов) N ... 24 24 0
Глубина понижения водобойной плиты ё, м . 1 0,3 70
Толщина водобойной плиты Ттд, м............. 4,5 4,2 7
Длина водобоя £вод, м.............................. . 50 58 3
Длина рисбермы £ , м ........................... 180 108,3 40
Разработанный программный комплекс имеет практическую ценность и может широко использоваться в практике проектирования водосливных плотин на нескальном основании.
Библиографический список:
1. Бартеньев О.В. Современный Fortran. - М.: Диалог-МИФИ, 1988. - 397с.
2. Бартеньев О.В. Visual Fortran: новые возможности. - М.: Диалог-МИФИ 1999. - 400 с.
3. Векслер А.В. Доненберг В.М. Переформирование русла в нижних бьефах крупных гидроэлекстростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.
4. Курбанова З.А. Разработка методики и программного комплекса для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин. Автореферат. - ДГТУ, 2005 г.
