Расчетное обоснование эффективности и надежности лотковых каналов призматического сечения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 626. 82 (470.64)

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЛОТКОВЫХ КАНАЛОВ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО СЕЧЕНИЯ

© 2008 г. С. О. Курбанов, А. А. Созаев

На Юге России общая протяженность каналов всех видов составляет 99,1 тыс. км. Из них каналы трапецеидального и прямоугольного сечений составляют более 70 %, из которых почти половина проходят в бетонной и железобетонной облицовке. Лотковые каналы прямоугольного сечения составляют более 300 км. Выполнены они в виде лотков прямоугольного профиля в бетонной и железобетонной облицовке, имеют значительную ширину (В/к > 2) и небольшую глубину (к < 1,5...2 м). В настоящее время большая часть облицованных каналов находятся в неудовлетворительном эксплуатационном состоянии, подлежат реконструкции и восстановлению.

На магистральных и межхозяйственных каналах, расположенных в предгорной зоне, авторами были проведены подробные полевые исследования [1], анализ результатов которых показывает, что лотковые каналы прямоугольного сечения в условиях предгорной зоны характеризуются высокими скоростными и наносными режимами. Этим обусловлены низкая гидравлическая эффективность работы каналов и невысокий уровень эксплуатационной надежности.

В условиях предгорной зоны, когда высокие эксплуатационные затраты и принятые способы восстановления не обеспечивают необходимую эффективность каналов, для повышения эксплуатационной надежности лотковых каналов прямоугольного сечения необходимо привести их к полигональному профилю с треугольным основанием. Прямоугольные лотковые каналы легко реконструируются в полигональные путем углубления (разрушения уже отработавшего свой ресурс) дна по центру на небольшую величину и придания поперечному сечению дна треугольной формы (рисунок).

h2

В

ml= 0

Сечение преобразованного лоткового канала состоит из двух частей: верхней - прямоугольной и донной - треугольной. Для аналитических исследований гидравлических характеристик глубину верхней части сечения обозначим через к1, а донной части - к2.

Площадь живого сечения канала можно определить по зависимости

Ю = Ю1 + Ю2 = Вк1 + 0,5Вк 2. Смоченный периметр

X = 2к1 + 2к 2лА + т 2,

(1)

(2)

где В - ширина канала по основанию боковых стенок, м; т - заложение донных откосов.

С учетом ранее полученных нами результатов исследований [2, 3] для полигональных каналов гидравлически наивыгоднейшего сечения (ГНС), его характеристики выразим через относительную глубину

к 2 1

а

hi л

(3)

+ m'

Тогда

ю = Вк1 + 0,5 Вак1 = Вк1 (1 + 0,5а), (4)

X = 2к1 +2ак1лД + т 2 =2к1(1 + а>/1 + т 2). (5)

Основные гидравлические характеристики Ю и X можно выразить и через относительную ширину в, соответствующую гидравлически наивыгоднейшему сечению по формуле С. О. Курбанова [2]:

Схема реконструкции прямоугольного лоткового канала в полигональный

В

в = — = 2та,

кг

при этом оптимальные значения т = 4 ... 8. Далее, с учетом в определяем Ю и X :

ю = вк12 + 0,5вк1к 2 = вк2 (1 + 0,5а),

X = 2к1 + 1 + т 2 = 2к1 + т 2.

т т

Гидравлический радиус для данного сечения к1В(1 + 0,5 а) = В(1 + 0,5 а)

R = ^

х h12(1 + ал/1 + m 2) 2(1 + ал/1 + m 2)

(6)

(7)

(8)

(9)

Среднюю скорость V и среднее значение пропускной способности канала Q можно определить по известным формулам равномерного режима движения

С = 1 * 16 = 1

V = cJRT,

B(1 + 0,5а)

2(1 +o/l +тА)

(10)

(11)

где С - коэффициент Шези; I - гидравлический уклон, при равномерном режиме движения I = /; / - уклон дна канала; п - коэффициент шероховатости:

Q =(üV = (ÜC^/RI .

(12)

Подставляя в формулу (12) значения ю, Си Я, определим расход для лоткового канала полигонального профиля

5/ 5/ 1/

q = 1 (1 + 0,5а/3 I/2

(2 +

2аТГ

(13)

+ m )'

С использованием вышеприведенных формул были проведены многочисленные расчеты по определению основных гидравлических характеристик лотковых каналов полигонального и прямоугольного профилей разных значениях B, hi, m, ю, n, i и др. Анализ полученных результатов показывает, что по сравнению с лотковыми каналами прямоугольного сечения при практически одних и тех же значениях площади живого сечения (ю = const) и ширины (B = const), пропускная способность Q канала полигонального профиля увеличивается на 5 - 10 %, а смоченный периметр х уменьшается на 7 % и более.

Пропускную способность существующих лотковых каналов прямоугольного профиля можно увеличить на 30 % и более, углубив дно всего на 15 - 30 см и превратив их в лотки полигонального профиля с треугольным основанием. Например, правобережный магистральный канал Чегемской ООС в начальной части проходит с уклоном i = 0,0181, имеет ширину В = 2,4 м, проектная максимальная пропускная

способность Qmax = 9 м/с. Многолетние наблюдения и исследования, проведенные на этом участке канала, показывают, что фактическая максимально возможная пропускная способность не превышает 7,3 м3/с [1]. Причиной тому повышенная шероховатость дна (п = = 0,020...0,030), турбулентность потока, аэрация и волнообразование. При глубине воды в канале к = 0,8 м высота волн достигает 1 м и поток переливается через борта канала. Если на этом участке путем реконструкции углубить дно канала по центру всего на 15 см, укрепить, придав ему треугольную форму (т.е. превратить его в полигональный лоток, сохранив нетронутыми вертикальные боковые стенки), пропускная способность канала увеличится на 16 % при повышенной шероховатости п = 0,02. При нормальной шероховатости (п = 0,014), которая будет соответствовать реконструированному каналу, пропускная способность при к2 = 15 см повышается на 43 % (табл. 1). По сравнению с фактическим (эксплуатационным) максимальным расходом этого канала ^ = 7,9 м3/с), возможная максимальная пропускная способность увеличивается на 66 %. На преобразованный лотковый канал полигонального профиля с вышеприведенными характеристиками нами была подана заявка на изобретение, по которой уже получено положительное решение ФГУ ФИПС на выдачу патента [4].

При полигональном сечении канала относительно стабилизируется движение потока, обеспечивается квазиравномерное движение воды. При этом, как известно, гидродинамические нагрузки потока равномерно распределяются по всему сечению канала, высота волн значительно уменьшается. Центр тяжести потока сосредоточивается на вершине треугольного основания, в результате этого площадь, подвергающаяся абразивному износу, значительно уменьшается. Предусмотрев прочное крепление участка вершины треугольного основания износостойкими материалами, можно повысить надежность работы облицовки канала от абразивного воздействия наносов. На способ возведения лотка полигонального профиля с абразивно-устойчивым дном нами также подана заявка на изобретение и получено положительное решение на выдачу патента ФГУ ФИПС [5].

Таблица 1

Сравнительные характеристики каналов прямоугольного и полигонального сечения

Прямоугольный

0,8

B

2,4

1,92

R

0,48

0,02

С

44,24

0,0181

Q

7,9

Полигональный

К к2 B ю m X R n С Q Э, %

0,8 0,1 2,4 2,04 12 4,01 0,509 0,02 44,677 8,75 10,76

0,15 2,1 8 4,02 0,523 44,88 9,17 16,1

0,2 2,16 6 4,03 0,536 45,064 9,59 21,4

0,3 2,28 4 4,07 0,56 45,394 10,42 31,9

0,8 0,15 2,4 2,1 8 4,02 0,523 0,014 64,12 13,1 66

n

4

Надежность работы канала зависит от многих факторов.

Гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность лотковых каналов будут обеспечиваться при соблюдении следующих условий, принятых по техническим требованиям [6]:

а) по водопроницаемости облицовки

ф(кобл ) = кобл - kобл.доп < 0 ;

б) по пропускной способности

Ф(0 = Q - Q г.н ^ 0 или ф(0 = Q - Q пр ^ 0;

в) по коэффициенту полезного действия

Ф(П) = П-Птр ^0;

г) по вероятности обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности

ф(Р'э) = P - РЭ.тр > 0.

По результатам проведенных авторами полевых исследований на каналах предгорной зоны считаем необходимым ввести еще одно условие:

д) по превышению глубины воды в лотке

Ф(й) = h - h в а ^ 0.

Расшифруем вышеприведенные обозначения: k обл, k обл.доп - коэффициенты фильтрации облицовки, соответственно осредненный расчетный и допустимый; Q, Q пр - фактическая и проектная пропускная

способность канала; Q гн - расход канала гидравлически наивыгоднейшего сечения; п,П тр - фактический и требуемый КПД по условиям эксплуатационной надежности; Р'э , Рэ тр - вероятность обеспечения

гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности, фактическая и требуемая; h, hва - нормальная глубина воды в лотке канала и максимальная глубина с учетом высоты волны и аэрации потока.

Пропускная способность является случайной величиной, зависящий от множества факторов, ее можно рассматривать и как параметр меры накапливаемых повреждений, характеризующий уровень технического состояния, гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности лотковых каналов.

Вероятность безотказной работы канала по пропускной способности можно установить и по известному выражению из [6, 7]

f ~ Л

Q расч Q min

Р = Ф

I

2 2 аq + аQ . ь^расч к min

(14)

= Е<

дФ i

dx ■

V

dQ dB

а B +

dQ dh

а h +

dQ)2а2+ fdQ'2 а n +

(15)

а

Q р

'Q m

dn I n \dJ среднеквадратические отклонения а i

¿расч ¡¿min

соответственно Q расч и Q mm; а В, а h, а n, а J - сред-

неквадратические отклонения величин В, h, n и J.

Отдельные дифференциалы частного порядка в

dQ dQ dQ dQ

уравнении (15) -=-,—=-,—=-,—=- определяются от-dB dh dn dJ

дельно для каждого вида канала в зависимости от формы его поперечного сечения. Для канала полигонального профиля (рисунок) их находим путем частного дифференцирования уравнения расхода Q (13) по

В, h, n и J:

5/3 (1 + 0 5а) X IX

Q = 1 h1B/3(1 + 0,5а)/3 I n (2 + 2а V1 + m 2

dQ = 5h1B/3 (1 + 0,5а)3 J/2 ~дБ

3n2 +

2аТ!

+ m

2.23

dQ = 1B53(1 + 0,5а)53J12 ; dh n

2 + 2а-

лА + m 2 )

2 «К

У У 1/

dQ = -h1B/3(1 + 0,5а/3 J/2 ;

dn n 2 (2 + 2а7Г+тТ)23 '

dQ = - _1_ h1B ^(1 + 0,5 а)53 dJ " 2n '

-2ал/Г

2 + 2а-\Д + m 2 Г3 J12

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

2 1 2

где Ф(/) = ,— Ге — Ж - табличный интеграл вероятности; Q расч - расчетный расход в канале, соответствующий максимальному расходу по СНиП 2.06.03.85; Qтт - случайный минимальный расход; о 2 а ч - дисперсия пропускной способности канала;

Для оценки гидравлической эффективности работы канала необходимо соблюдение еще одного условия:

Р>Рг.п , (21)

где в = ~ фактическая относительная ширина канала; в гн - относительная ширина, соответствующая ГНС, для прямоугольных каналов в гн = 2, а для полигональных определяется по формуле (6).

По вышеприведенным формулам (1) - (13) и (14) - (21) были проведены многочисленные расчеты для лотковых каналов полигонального профиля, в том числе и расчеты, привязанные к условиям магистральных каналов Чегемской ООС, находящихся в предгорной зоне. Результаты получились достаточно удовлетворительные, по всем параметрам гидравлическая эффективность и эксплуатационная надежность каналов обеспечивается с хорошим запасом. Осред-ненные результаты расчетов по основным показателям приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности каналов призматического профиля в железобетонной облицовке

Показатель Значение показателей

Нормативных, по техническим условиям для каналов призматического профиля Фактических, по данным полевых исследований для ПМК Чегемской ООС Расчетных, для каналов полигонального сечения, по данным аналитических исследований

Коэффициент шероховатости русла не более 0,017 0,02 - 0,025 0,014 - 0,017

Средняя скорость течения воды, м/с не менее 0,5 2,5 - 3,5 3,0 - 3,5

Максимальная скорость течения, м/с не более 6 4,0 - 5,5 4,5 - 5,5

Потери на фильтрацию через стыки, л/(с км) не более 1,0 - 3,0 4,0 - 5,0 с учетом потери через разрушенное дно 1,0 - 2,0

Коэффициент полезного действия лотковых каналов не менее 0,97 0,7 - 0,8 0,97

Вероятность пропуска расчетного расхода не менее 0,9 0,67 0,997

Вероятность обеспечения гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности не менее 0,95 0,7 0,97

Максимальная глубина воды в лотке с учетом высоты волны и аэрации потока (в технических условиях этот показатель отсутствует) По мнению авторов, не более 1,1 А, нормальной расчетной глубины воды (1,5 - 2,0) А - фактическая максимальная глубина с учетом высоты волны 1,05(^1+ А2), Н\+ А2 = А -нормальная глубина

Для сравнительной оценки такие же расчеты были проведены и для лотковых каналов прямоугольного сечения Чегемской ООС (табл. 2). Как видно по результатам расчетов, вероятность безотказной работы по основным параметрам полигонального канала значительно выше по сравнению с лотковым каналом прямоугольного сечения.

Данные показателей из табл. 2 полностью подтверждают низкую эксплуатационную надежность и эффективность работы лотковых каналов прямоугольного сечения в условиях предгорной зоны. Как видно, для этих каналов основные показатели технических условий не выполняются. А что касается полигональных каналов, для них все эти условия выполняются с достаточным запасом. Они обеспечивают необходимую гидравлическую эффективность и эксплуатационную надежность рассматриваемого лоткового канала полигонального профиля.

На основе результатов комплексных исследований получены новые данные и расчетные зависимости, позволяющие определить оптимальные гидравлические характеристики лотковых каналов призматического сечения, а также сравнительные показатели их гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. Предложена методика приведения лотковых каналов прямоугольного сечения к полигональному

профилю, обеспечивающая повышение их надежности

и эффективности работы.

Литература

1. Курбанов С.О., Созаев А.А. Повышение эксплуатационной надежности лотковых каналов призматического сечения // Минимизация вредного воздействия вод в период половодий и паводков, повышение эффективности ведения мониторинга водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений: Сб. статей Всерос. науч.-практ. конф. Махачкала, 2006. С. 242 - 247.

2. Курбанов С.О., Ханов Н.В. К гидравлическому расчету наивыгоднейших сечений энергетических каналов политонального профиля // Гидротехническое строительство. 2003. № 7. С. 40 - 44.

3. А. с. № 1640271. Гидротехнический канал / С.О. Курбанов, Н.В. Ханов. М., 1990.

4. Заявка на изобретения № 2006112057/03. Гидротехнический канал. Положительное решение ФГУ ФИПС на выдачу патента от 11.10.2007 / С.О. Курбанов, А.А. Созаев.

5. Заявка на изобретения № 2006111949/03. Способ возведения гидротехнического лотка полигонального профиля. Положительное решение на выдачу патента ФГУ ФИПС от 11.10.2007 / С.О. Курбанов, А.А. Созаев.

6. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Колганов А.В. Эксплуатационная надежность оросительных систем. М., 2005.

7. Мирцхулава Ц.Е. О надежности крупных каналов. М.,

1981.

Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия, г. Нальчик 3 сентября 2007 г.