CC BY
10УДК 626.823.4
Д. А. Чернова (ФГБНУ «РосНИИПМ»)
РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ МОБИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОМЫВА РУСЕЛ
В статье на основе экспериментальных данных исследований предлагается расчет производительности разработанного автором мобильного устройства для промыва русел естественных и искусственных водотоков. Целью работы является получение данных для оперативного управления работой мобильного устройства в конкретных производственных условиях. Для расчета необходимо иметь данные о гранулометрическом составе донных отложений. Размыв донных отложений обеспечивается за счет образования в нижнем бьефе гидравлического прыжка. Расчет выполняется поэтапно. На первом этапе на основе экспериментальных данных исследований определяются: Ьщ /HПР - основной конструктивный параметр устройства; коэффициент расхода, проектная высота устройства, ширина водовыпускной щели, действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели. Далее устанавливается длина участка размыва наносов для чего определяется тип сопряжения бьефов и рассчитываются параметры гидравлического прыжка: дальность отгона прыжка; длина прыжка; длина послепрыжкового участка. На следующем этапе определяются пути насыщения потока размываемыми фракциями донных отложений, и вычисляется фактическая мутность промывного потока, создаваемая за счет размыва наносов на участке размыва. После чего рассчитываются объем наносов размываемых в единицу времени и скорость перемещения устройства по руслу водотока. В связи с увеличением глубин в нижнем бьефе, вызываемого формированием из размытых отложений дюнообразного грунтового вала, на основе данных мониторинга угла наклона плоскости водовыпускной щели определяется необходимость изменения режима промывки русла или его сохранения. На основе полученных данных применительно к параметрам конкретного водотока определяются производственные характеристики мобильного устройства для промыва: V=f (бПРОМ ) ;
0рАЗМ.НАН. = f (0пРОМ. ); ^АЗМ.НАН. /Q№OM. =f (VyCTP ) . На их основе осуществляется оперативное управление работой устройства в различных производственных ситуациях.
Ключевые слова: размывающая скорость, гранулометрический состав, гидравлический прыжок, сжатая глубина, критическая глубина, водовыпускная щель, действующий напор, сопряженные глубины, путь насыщения потока.
D. A. Chernova (FSBSE “RSRILIP”)
CALCULATION OF THE OPERATION PARAMETERS OF THE MOBILE DEVICE FOR CHANNEL CLEANING
On the basis of experimental research data the performance calculation of the developed by the author mobile flushing device for channel cleaning of natural and artificial streams is proposed in the paper. The objective of the study is to obtain the data for operation of the mobile device in the specific working conditions. For the calculation the data about granulometric composition of the deposits have to be available. The scour of the deposits is provided by the formation of the hydraulic jump in the downstream. The calculation is made step-by-step. At the first step on the basis of experimental research data the following parameters are determined: ЬЩ / H ПР - the main constructive parameter of the device; discharge coef-
ficient, design height of the device, water-discharge slot width, actual pressure in the center of gravity of the water-discharge slot. Then the length of the scour of the deposits is ascertained by the determination of the type of reach conjugation and the calculation of the parameters of a hydraulic jump: the length of displacement of a hydraulic jump, the length of a hydraulic jump, the length of the section after the jump. At the next step the ways of flow saturation by the scouring particles of the deposits are detected and the actual turbidity of the flushing flow created by the scour of the deposits at the flushing section is calculated. After that the volume of scouring deposits in unit time and the velocity of the device movement along the stream of watercourse are calculated. In connection with the increasing of the downstream depth due to the forming of a ground bank looking like a dune, on the basis of monitoring data for the angle of the surface of the water-discharge slot the need of changing of the flushing regime or its maintenance is determined. The obtained data allow getting the production characteristics of the mobile device for the specific stream cleaning: V=f (QПРОM ) ; Q^^h^ =f (Q ПРОМ. ) ; Qm^^ /Qrn^ = f (VycTP). On the basis of these characteristics the operating control of the
device at different production situations is carried out.
Keywords: scouring velocity, granulometric composition, hydraulic jump, compressed depth, critical depth, water-discharge slot, actual pressure, conjugated depths, way of sediment saturation.
В последние десятилетия проблема наносов в руслах водотоков приобрела необычайно острый характер из-за кардинального изменения водохозяйственной политики страны. Это нарушило режимы работы водохранилищ и гидротехнических сооружений (ГТС) и привело к трудностям пропуска вод половодья и паводков. В результате ухудшилась общая экологическая обстановка в бассейнах рек [1], увеличился риск возникновения чрезвычайных ситуаций на реках, снизилась продуктивность водных объектов и качество водных ресурсов, затруднен процесс подачи воды на орошаемые площади.
Решение проблемы накопления и очистки наносов в водоемах и руслах водотоков требует комплексного подхода, одной из частей которого является гидротехническая, включающая разработку специальных устройств, а также методов и способов их применения и эксплуатации.
Анализ современных литературных и патентных источников свидетельствует о том, что основной тенденцией научно-конструкторских разработок промыва русел водотоков на сегодняшний день является использования известных гидравлических приемов и принципов, обеспечивающих размыв и перемещение донных отложений по руслу. Такой эффект
достигается соответствующими конструктивными мероприятиями, которые создают в придонной части русла требуемые размывающие скорости.
На основе этих данных было разработано мобильное устройство из тканевых материалов для промыва русел, способное перемещаться под действием гидравлических сил [2].
Устройство состоит из напорного и горизонтального полотнищ, между которыми в придонной части выполнена водовыпускная щель, оснащенная элементами управления, позволяющими изменять ее ширину посредством подвижного полотнища, а на гребне напорного полотнища установлен поплавок. Такая конструкция [2], способная перемещаться по течению вдоль русла водотока под действием гидравлических сил, позволяет с минимальными энергетическими затратами эффективно осуществлять промывку русел за счет создания размывающих скоростей в зоне влияния водовыпускной щели с последующим перемещением размытого грунта вниз по течению. Размыв донных отложений осуществляется непосредственно в нижнем бьефе устройства в зоне влияния образующегося гидравлического прыжка.
Исследования проводились по стандартной методике исследования мембранных плотин в стеклянном гидравлическом лотке шириной 0,697 м и длиной 8,0 м, оборудованным мерным водосливом Томсона. В ходе экспериментов изменялись расход воды в лотке и глубина потока в нижнем бьефе, регистрировались показания пьезометров, установленных на напорном полотнище, производилось измерение скоростей потока в зоне влияния водовыпускной щели микровертушкой ГМЦМ-1, фиксировалось положение поперечного профиля напорного полотнища цифровой видеокамерой. Исследования сопряжения бьефов выполнялись в диапазоне изменения величины отношения hУНБ - глубины в нижнем бьефе к кРАЗД - раз-
к
дельной глубине 0,00< УНБ <3,54 при числах Фруда от 3,0 до 106,000, рас-
к
РАЗД
V
считываемых по формуле Fr = ,РАЗМ - где в качестве линейной характери-
л/£ •к
стики присутствует первая сопряженная глубина - к. Движение потока на участке размыва являлось установившемся, безнапорным, турбулентным, отвечающим квадратичной области сопротивления [3].
Оптимальное и эффективное использование устройства и его оперативное управление в практических условиях требуют выполнения исследовательских задач, решения которых позволяют понять процесс взаимодействии потока с устройством в целом и с отдельными его элементами. Важной характеристикой работы устройства является его производительность, которая определяется объемом наносов, размываемых в единицу времени, и скоростью передвижения устройства, определяющей регламент работы береговых анкеров. При этом для размыва донных отложений были созданы условия наличия в русле такого известного явления как гидравлический прыжок, который обладает огромной размывающей способностью в зоне длиной /РАЗМ, представленной участками:
- бурного движения, характеризуемого длиной отгона прыжка (/ОТ);
- самого прыжка длиной (/ПР);
- спокойного неравномерного движения длиной (/ПП), следующей за прыжком зоне, где происходит затухание пульсаций до величин, наблюдаемых при равномерном движении, размыва наносных отложений не происходит, также как и выпадения в осадок размытых фракций.
Поэтому скорость потока в конце этого участка определяется как не-заиляющая и характеризующая транспортирующую способность потока, насыщенного размытыми донными отложениями.
Последним участком, входящим в зону влияния водопропускной щели, является участок спокойного равномерного движения, где скорости потока становятся недостаточными для размыва донных отложений. Здесь
происходит формирование дюнообразного грунтового вала за счет осаждения наиболее крупных фракций размываемых отложений и транспортирование потоком мелких частиц ниже по течению.
Таким образом, размыв наносных отложений и насыщение потока продуктами размыва осуществляется на участке, длину которого /РАЗМ, определяем по формуле:
/РАЗМ = /ОТ ^ /ПР ^ /ПП , (1)
где /ОТ - дальность отгона прыжка, м;
/ПР - длина прыжка, м;
/ПП - длина послепрыжкового участка, м.
Значение /ОТ , /ПР и /ПП вычисляем в соответствии с общеизвестными методиками и формулами [3, 4].
Целью настоящей работы является расчет производительности устройства, характеризуемой объемом наносов, размываемых в единицу времени в зоне влияния водовыпускной щели мобильного устройства, а также скоростью перемещения самого устройства по руслу водотока в условиях насыщения потока размываемыми наносными отложениями.
Основополагающим направлением выполнения поставленной цели являются результаты, изложенные в трудах С. С. Медведева, И. С. Румянцева, А. Г. Хачатряна, Х. Ш. Шапиро [5-10] и других исследователей, рассмотревших вопросы насыщения потока размываемыми наносными отложениями до состояния полного насыщения, определяемого как его транспортирующая способность (рТРСП , кг/с). Так Х. Ш. Шапиро и С. С. Медведев получили зависимости, позволяющие определить длину пути (/ПН.), на котором поток полностью насыщается размытым наносным грунтом, при этом в русле сохраняется отмостка с заданным фракционным составом. Мы считаем, что использование результатов Х. Ш. Шапиро и С. С. Медведева позволяют рассчитать фактическую мутность (рФАК) при
условии, что на длине пути полного насыщения промывного потока (/ПН.)
масса размываемых отложений прямо пропорциональна длине пути размыва, и предлагаем определять (рФАК ) по формуле:
о •/
р _У ТР.СП. РАЗМ (2)
РфАК. _ / ’
1ПНI
где рФАК - фактическая мутность потока;
рТРСП - транспортирующая способность потока;
/РАЗМ - длина участка размыва наносных отложений в зоне влияния водовыпускной щели;
/ПН. - длина пути насыщения потока размытым наносным грунтом. Транспортирующую способность (рТРСП) определяем по формуле Х. Ш. Шапиро [11]:
1_4
Р ТР.СП. Р ПП Р Т1 , (3)
1_1
где рПП - мутность, соответствующая транспортирующей способности потока на послепрыжковом участке, кг/м3;
рТ1 - мутность, образующаяся при размыве I -той фракции, вычисляемая по формуле:
Рт _ Стг
Г \
1П ^1±1 Ю<>1 ~
V иВ У
(4)
где СТ1 - постоянная кривой распределения по крупности взвешенных наносов I -той фракции СТг _kl • ^Р°аЗм.ср. •ив;
КРАЗМСР - средняя размывающая скорость потока;
ю. и ш1±1 - гидравлическая крупность соответственно фракции I и I ±1; ив - наибольшая взвешивающая скорость:
0,065-(^размср.- 0,05)^
'■'?----V' РАЗМ.СР. ~ ’ / V' РАЗМ.СР. ,1 /г\
ив _----------------------------^-----------------------------, (5)
где п - коэффициент шероховатости русла;
R - гидравлический радиус русла на послепрыжковом участке.
Для решения поставленной задачи согласно схеме (рисунок 1) определяем по формуле (1) длину участка размыва (/РАЗМ 1) наносных отложений, соответствующую гидравлическим условиям промыва русла, и сопоставляем ее с длиной пути полного насыщения промывного потока (/ш.)
фракцией размываемого грунта, условный диаметр которой ^РАЗМ < dОТМ .
фГр
^РАЗМ
НПР - проектная высота устройства; НЩ - действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели; ЬЩ - ширина водовыпускной щели; кКР - критическая глубина; кСЖ - сжатая глубина; кУНБ - глубина в нижнем бьефе; к1 - первая сопряженная глубина; фЩ - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту; кВЫХ - высота верхней кромки водовыпускной щели; кСР - средняя глубина на участке размыва; ГСЖ - скорость потока в сжатом сечении; /РАЗМ - длина участка размыва; фГР - угол между линией горизонта в нижнем бьефе и тросовой сеткой крепления гребня устройства; IОТ - длина отгона прыжка; 1ПР - длина прыжка; 1ПП - длина после прыжкового участка; ¥Щ - скорость потока на выходе из водовыпускной щели; ¥быт - скорость потока на послепрыжковом участке; I - уклон русла водотока
Рисунок 1 - Схема участка размыва
Для расчета размываемого объема наносов и скорости перемещения мобильного устройства определяется ряд следующих параметров: ц - коэффициент расхода; КРАЗМ - размывающая скорость в зависимости от гранулометрического состава наносных отложений; ИУНБ - глубина в нижнем бьефе; кКР - критическая глубина; ИСЖ - сжатая глубина; ЬЩ - ширина водовыпускной щели; ЬЩ /НПР - основной конструктивный параметр мобильного устройства; фЩ - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту; г - коэффициент вертикального сжатия; НЩ - действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели; УСЖ - скорость потока в сжатом сечении; ¥ПП - средняя скорость потока в сечении после прыжка при ^УНБ; КРАЗМСР - средняя скорость на участке размыва; кСР - средняя глубина на участке размыва; Жв* - максимальная гидравлическая крупность взвешенных наносов; ^РАЗД - раздельная глубина; кх - первая сопряженная глубина.
Для определения таких параметров, как коэффициент расхода (ц), ширина водовыпускной щели (ЬЩ), проектная высоту устройства (НПР) и действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели ( НЩ ) устанав-
/ ЬЩ \
ливаем значение основного конструктивного параметра устройства (——).
Н ПР
ЬЩ
При его выборе учитываем, что при —— < 0,1 водовыпускная щель уст-
Н ПР
ройства относится к малым отверстиям и расход такой щели определяется по формуле:
6пром ц ' ®щ ' "у 2 ' ё ' Нщ , (6)
где юЩ - площадь водовыпускной щели.
После чего по полученной автором графической зависимости -
(Гг ) или эмпирической формуле (7) определяем значение -ккР-
Н Щ Н Щ
ЬЩ ЬЩ
в зависимости от ——, например —— = 0,1.
Н ПР Н ПР
к
КР
Н Щ
1,233 -(Гг )-0 627 , (7)
К2
где Гг - число Фруда: Гг - РАЗМ
& - ЬЩ
РРАЗМ - размывающая скорость, м/с;
& - ускорение свободного падения, м/с2;
ЬЩ - ширина водовыпускной щели, м.
Коэффициент расхода определяем также по эмпирической зависимости, полученной по данным исследований, для соответствующего значения
принятой величины (~ь^). Так при = 0,1 формула расчета величины
ПР ПР
ц = 2,б 104 -
- 0,0193. (8)
В результате применения формул (6)-(8) получаем значения НПР, ЬЩ,
Н щ.
Размывающую скорость (РРАЗМ) рассчитываем как скорость потока в сжатом сечении при расходе бПРОМ, который в случае промыва естественных водотоков соответствует минимальному летнему меженному расходу (QМИН), поток которого осветлен, что в наибольшей мере способствует промыву русла, а в случае промыва искусственных водотоков, где преобладают мелкие фракции, определяется как расход, достаточный для формирования размывающих скоростей для самой крупной фракции наносных отложений. Расход в начальный период промывки соответствует
~ 4 % нормального расхода водотока (бНОРМ) для искусственных водотоков и (QМИН) для естественных.
V - бпРОМ (9)
У РАЗМ ’ \ )
ш
СЖ
где бПРОМ - промывной расход;
юСЖ - площадь сжатого сечения.
Для расчета юСЖ вычисляем сжатую глубину по формуле:
ксж = Ьщ ■ sin фщ -Є , (10)
где Ьщ - ширина водовыпускной щели, м;
фщ - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту; є - коэффициент вертикального сжатия.
Угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту (фщ) определяем в соответствии с избираемым типом сопряжения бьефов с учетом того, что при отогнанном прыжке наблюдается наиболее интенсивный размыв. Поэтому для промыва искусственных водотоков с бетонной облицовкой принимаем данный тип сопряжения. В случае естественных водотоков, когда формирование отмостки является основным требованием, и для чего необходимо варьирование величиной размывающей скорости, принимаем сопряжение бьефов с надвинутым, то есть затопленным, прыжком. При отогнанном прыжке угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту назначаем в интервале от 8° до 20°, что обосновано экспериментальными данными.
При затопленном прыжке, когда глубина в нижнем бьефе больше раздельной глубины (кУНБ > кРАЗД), фщ определяем по эмпирическим формулам автора, выбор которых определяется величиной основного конст-
Ьщ
руктивного параметра ——, а применение их рекомендуется согласно экс-
Н ПР
h
периментальным данным при —^ > 0,25 .
Н Щ
Коэффициент вертикального сжатия (е) определяем по формуле К. Ф. Химицкого [12] для случая, когда напорная грань наклонена в сторону нижнего бьефа:
1 (11)
1 +
0,4 • sin3 ф
Щ
1 -
/ 7 • \2
ЬЩ • sin фщ
Н
V пр у
где фщ - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту;
Ьщ - ширина водовыпускной щели;
НПР - проектная высота устройства.
Скорость потока в сжатом сечении (УСЖ) определяем как отношение:
Усж = (12)
®сж
где бПРОМ - промывной расход;
юСЖ - площадь сжатого сечения.
Чтобы установить тип сопряжения вычисляем раздельную глубину (^АЗД) как сопряженную со сжатой глубиной (йСЖ), для чего используем
известные аналитические и графические зависимости (например, в случае трапецеидального русла графики А. Н. Рахманова), и, сопоставляя раздельную глубину с глубиной в нижнем бьефе, определяем тип сопряжения. Применяя эти же зависимости, вычисляем первую спряженную глубину (Иг). После чего определяем среднюю глубину на участке размыва:
h + h
ИСР = "СЖ ^/уНБ , (13)
где ИСЖ - сжатая глубина;
- глубина в нижнем бьефе.
Критическую глубину (ИКР) определяем, исходя из геометрии русла
по общепринятым формулам [11].
Далее определяем (УПП) среднюю скорость потока в сечении после прыжка при глубине hУНБ по формуле:
УПП = ^ПРОМ, (14)
®пп
где бПРОМ - промывной расход;
юПП - площадь сечения после прыжка.
Тогда средняя скорость на участке размыва определится как отношение:
V + V
V = сж г пп (15)
'РЛЗМ.СР. _ 2 ’ V /
Для определения длины пути насыщения (/ПН.) плоского потока до его предельной мутности (рПРМПП = РТРСП ) применяем формулу схематизации движения взвешенных частиц от створа, где происходит размыв русла, до створа полного насыщения, предложенную С. С. Медведевым [10]:
/ПН, = ^М^ ' ^ • (3,51 + 1п ^ ~ ^) • К,, (16)
ПНг ЖВ* - Ж Sт. К ;
В ; Т;
где /ПН. - длина пути насыщения потока частицами I -той фракции грунта, м;
ИрЛЗМСР - средняя скорость потока в пределах участка размыва, м/с;
^Р - средняя глубина потока на участке размыва, м;
ЖВ - максимальная гидравлическая крупность взвешенных наносов (по данным Х. Ш. Шапиро ж; = о,з• утр = о,з•Л/^^РТ7, м/с, I - уклон русла, Утр - скорость трения, м/с);
Ж - гидравлическая крупность частиц I -той фракции в составе размываемого грунта, м/с;
5^. и 50г - соответственно мутность, соответствующая транспортирующей способности потока, и мутность в граничном (входном) створе потока;
К. - коэффициент, равный отношению удельного содержания размываемой фракции с диаметром dРАЗМ < dОТМ в составах размываемого грунта и наносов при полном насыщении потока до транспортирующей способности.
Имея значение /ПН. для каждой фракции отложений, рассчитываем длину пути насыщения потока до транспортирующей способности /НАС , формируемой всей совокупностью размываемых частиц наносных отложений по зависимости:
/ _ Ртр.сп. (17)
НАС. _ п_4 Р ’ V1 ' )
IР-
г_ ''ПН г
где рТРСП - полная транспортирующая способность потока, соответствующая мутности, формируемой всеми размытыми фракциями наносных отложений;
п - число фракций по крупности наносных отложений (по Х. Ш. Шапиро п = 4);
р. - мутность, формируемая г -той фракцией размытых наносных отложений;
/ПН. - длина пути насыщения потока г -той фракцией размытых наносных отложений.
Определяем мутность, образующуюся на участке размыва:
Рфак _ Р"Т ' /разм , кг/м3. (18)
НАС.
Фактическую массу размытых отложений (МРАЗМПП), поступающих в единицу времени на послепрыжковый участок, рассчитываем по формуле:
МРАЗМ.ПП. _ Р ФАК ‘бпРОМ , кг/с. (19)
Для определения скорости перемещения мобильного устройства по руслу (Куст) определяем на участке промыва площадь поперечного сечения наносных отложений в русле ^НАН :
^нан = / (Тнан), м2, (20)
где тНАН - мощность наносных отложений, м.
Объем размытых наносных отложений в единицу времени определится как отношение:
6_ -^РАЗМ.ПП. . ,3 / /014
РАЗМ.НАН. _ , м /с, (21)
Р НАН
где рНАН - плотность наносных отложений, кг/м3.
Время размыва и очистки 1 м длины русла от наносов (ґРАЗМ) равно:
С 1
tpАзм = 7СНЛН-:-, с, (22)
¿^РАЗМ. НАН.
при этом скорость перемещения мобильного устройства будет равна:
КУСТР = , м/с. (23)
РАЗМ
Таким образом, за один час работы мобильного устройства для промыва будет очищен от наносов участок русла канала длиной ( /оч):
/оч = 3600 • Кустр. , м. (24)
Для наглядности представлен расчет параметров гидравлической промывки канала Бг-Р-7 Багаево-Садковской оросительной системы Ростовской области (таблица 1). Канал Бг-Р-7 имеет трапецеидальное сечение шириной по дну ЬДН = 1,5 м, коэффициент заложения откосов т = 1,5,
нормальная глубина ^ОР = 1,6 м, форсированная глубина ^ОР = 1,8 м,
33
нормальный расход QНОp = 7,5 м /с, форсированный расход QФОР = 8,8 м /с, неразмывающая скорость облицовки канала 6 м/с, уклон дна I = 0,0001, мощность наносных отложений хНАН = 0,10 м. Гранулометрический состав фракций размываемых наносных отложений представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Фракционный состав наносов
№ фракции Условный d, мм Содержание фракции, % Г идравлическая крупность ш, м/с
1 Более 0,1 17,70 0,00300
2 0,1-0,05 5,37 0,00172
3 0,05-0,01 37,60 0,00015
4 Менее 0,01 39,33 0,000687
3
Начальный промывной расход принимаем равным бПРОМ = 0,3 м /с,
что соответствует 0,04 • QНОРМ, где QНОРМ нормальный расход канала. По мере размыва наносов и образования подпора за счет формирования дюнообразного грунтового вала в нижнем бьефе наблюдается увеличение глубины перед водовыпускной щелью устройства. При этом угол наклона плоскости водовыпускной щели (фЩ) увеличивается и при достижении им величины фЩ = 30° промывной расход увеличиваем на « 30%. Применив формулы (1)-(24), получаем данные, представленные в таблице 2, на основании которых строятся графические производственные характеристики работы мобильного устройства для промыва.
Таблица 2 - Расчет параметров гидравлической промывки канала
Параметры устройства Q = 0,3 м3/с Q = 0,4 м3/с Q = 0,5 м3/с Q = 0,6 м3/с
1 2 3 4 5
ё 55 я 0,1 0,1 0,1 0,1
Н ПР , м 0,87 1,134 1,22 1,19
Ъщ, М 0,087 0,113 0,122 0,12
Фщ, ° 20 20 20 20
Н Щ, м 0,855 1,114 1,20 1,17
|Д 0,544 0484 0,544 0,675
^РАЗМ.СР. , МЯС 4,165 4,215 4,772 5,786
^УНБ , М 0,20 0,25 0,30 0,35
кКР, М 0,152 0,180 0,209 0,234
8 0,888 0,888 0,888 0,888
^СЖ , м 0,026 0,034 0,037 0,036
к1, м 0,5246 0,6109 0,6863 0,7539
^РАЗД , м 0,465 0,535 0,622 0,75
1РАЗМ , м 29,05 28,81 44,21 53,565
РфАК. , КГ/С 32,75 40,62 37,83 56,1
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(08), 2012 г., [79-98] Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5
ТНАН , м 0,1 0,1 0,1 0,1
1ПН 1 , м 5900,00 3804,00 3281,78 3468,68
1ПН 2’ м 1147,20 1157,84 1318,84 1626,40
1пн 3, м 548,82 1034,19 760,74 985,57
1ПН 4 , м 498,55 741,53 410,04 964,23
1НАС. , м 1745,20 801,37 1505,14 1666,22
QРАЗМ.НАН., м /с 0,00309 0,00613 0,00714 0,0127
^УСТР , м/с 0,0187 0,037 0,0433 0,077
По данным расчета получаем графические (рисунки 2-4) и аналитические производственные характеристики мобильного устройства при
Ъ
Щ
= 0,1 и фЩ=20°.
ПР
Рисунок 2 - График зависимости скорости перемещения устройства
от величины промывного расхода
0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65
Рисунок 3 - График зависимости объема размываемых наносов от величины промывного расхода
£?разм.нан.
Öiipom 0,016
0,014
0,012
0,010 0,008
0,006
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
Рисунок 4 - График зависимости отношения объема
размываемых наносов к промывному расходу в зависимости от скорости перемещения устройства
VyCTP = 0,4775 • Q2 - 0,2596 • Q+0,0591, при R2 = 0,9605, (25)
0>азм.нан. = 0,0783 • ЙПром -0,0424• QnP0M + 0,0097 , при R2 = 0,959, (26)
QpA3MHAH- =■-3,493 •Vy2CTP + 0,214-VyCTP + 0,012, при R2 = 0,995. (27)
QnPOM
Полученные производственные характеристики позволяют осуществлять маневрирование выбором показателя производственного процесса (скорость перемещения устройства, объем размываемых наносов или оптимальное соотношение того и другого).
Анализ полученных производственных характеристик показывает, что с увеличением величины промывного расхода возрастает скорость перемещения устройства и объем размываемых наносов.
Так при необходимости проведения промывки в сжатые сроки необходимо избирать режим с высокими скоростями перемещения устройства (выбор значений осуществляется в верхних частях графиков рисунков 2 и 3), а в случае лимита на водные ресурсы - к исполнению принимается режим с малыми промывными расходами и с малыми скоростями перемещения (используются нижние части графиков рисунков 2 и 3). Полученные данные позволяют также осуществить и выбор оптимального ре-
жима промывки по графику зависимости отношения объема размываемых наносов к промывному расходу в зависимости от скорости перемещения
устройства ^РАЗМ-НАН- = f (КУСТР) (рисунок 4). Оптимальный режим промыва
Опром
русла канала будет наблюдаться при 0,02 < КУСТР < 0,04 м/с, когда величина Ор
достигает максимального значения. Таким образом, в зависимо-
Опром
сти от избираемого показателя промыва можно пользоваться представленными графическими и аналитическими зависимостями, удовлетворяя сложившиеся на данный момент производственные требования.
Полученные результаты позволяют принимать оперативные решения
о целесообразности сохранения выбранного режима и параметров мобильного устройства или перехода на другой режим и использовать другие параметры. Такие решения принимаются на основе изменения угла наклона плоскости водовыпускной щели (фЩ) в зависимости от уровня воды
в нижнем бьефе. В расчетах этот показатель характеризуется величиной косинуса этого угла (cosфЩ). Данные экспериментов позволяют считать критическим значением cosфЩ < 0,85, что соответствует фЩ > 30°. Таким
образом, при достижении углом наклона водовыпускной щели указанной величины дальнейшая промывка русла при данных параметрах нецелесообразна. Для продолжения работ по очистке русла следует поэтапно уве-
ЬЩ
личивать основной конструктивный параметр (——) и промывной расход
Н ПР
(Опром ).Для максимальной эффективности устройства конечный промывной расход данного канала не должен превышать 0,6 м /с.
Представленный порядок расчета в своей основе содержит известные апробированные водохозяйственной практикой положения гидравлических расчетов и поэтому является достаточно надежным и доступным инстру-
ментом для использования широким кругом инженерно-технических работников водохозяйственных организаций.
Выполненные расчеты позволяют получить производственные характеристики очистки русла водотока в виде графо-аналитических зависимостей определения объема размываемых наносов, скорости перемещения устройства и выбора оптимального режима промыва. Такие зависимости обеспечивают возможность планирования производительности очистных работ на конкретном водотоке.
Список использованных источников
1 Суйкова, Н. В. Повышение эффективности гидравлической промывки загрязняемых речных русел: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.07 / Суйкова Наталья Валерьевна. - М., 2008. - 24 с.
2 Способ гидравлического промыва русла и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение № 2011128252 [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.
3 Чугаев, Р. Р. Гидравлика (Техническая механика жидкости): учебник / Р. Р. Чугаев. - 4-ое изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоиздат Ленингр. отд-ние, 1982. - 672 с.
4 Расчет отверстий искусственных сооружений по предельным состояниям: монография / О. В. Андреев [и др.]. - М.: Автотрансиздат, 1963. - 108 с.
5 Румянцев, И. С. Исследования кинематической структуры потоков и переформирований дна на участках подводных переходов дюкерного типа: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.07, 05.23.16 / Румянцев Игорь Семенович. - М., 1970. - 19 с.
6 Шапиро, Х. Ш. Насыщение потока мелкопесчаными наносами различной крупности / Х. Ш. Шапиро // Гидротехническое строительство. -1970. - № 1.- С. 31-33.
7 Шапиро, Х. Ш. Поперечная циркуляция как метод повышения
взвешивающей способности потока в открытых руслах / Х. Ш. Шапиро // Труды ВНИИГиМ. - М.: ВНИИГиМ, 1958. - Т. 28. - С. 171-220.
8 Шапиро, Х. Ш. Регулирование твердого стока при водозаборе в оросительные системы / Х. Ш. Шапиро. - М.: Колос, 1983. - 272 с.
9 Хачатрян, А. Г. Заиление и промыв ирригационных отстойников и водохранилищ / А. Г. Хачатрян, Х. Ш. Шапиро, З. И. Шарова. - М.: Колос, 1966. - 270 с.
10 Медведев, С. С. Совершенствование методов расчета речных и мелиоративных сооружений: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. 05.23.07 / Медведев Сергей Сергеевич. - М., 2007. - 37 с.
11 Справочник по гидравлическим расчетам / сост. П. Г. Киселев. -Изд. 5-е. - М.: Изд-во Энергия, 1974. - 312 с.
12 Штеренлихт, Д. В. Гидравлика: учебник / Д. В. Штеренлихт. - М.: Энергатомиздат, 1984, - 640 с.
Чернова Дарья Анатольевна - аспирант, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»), младший научный сотрудник.
Контактный телефон +7 906 416 24 72.
E-mail: [email protected]
Chernova Darya Anatolyevna - Postgraduate Student, Federal State Budget Scientific Establishment “Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems” (FSBSE «RSRILIP»), Junior Researcher.
Contact telephone number: +7 906 416 24 72.
E-mail: [email protected]
