МЕТОДЫ  РАСЧЕТА  УСТРОЙСТВ  НИЖНЕГО  БЬЕФА  ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ  СООРУЖЕНИЙ

Аубакирова  Фарида  Хабиевна

канд.  техн.  наук,  доцент  Южно-Казахстанского  государственного  университета  им.  М.  Ауэзова,  Республика  Казахстан,  г.  Шымкент

Е-mail :  faraub1011@mail.ru

METHODS  OF  CALCULATION  OF  DEVICES  OF  THE  LOWER  BYEF  OF  HYDRAULIC  ENGINEERING  CONSTRUCTIONS

Farida  Aubakirova

Candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  South  Kazakhstan  State

University  named  M.  Auezov ,  Republic  of  Kazakhstan,  Shymkent

АННОТАЦИЯ

Существующие  различные  подходы  к  расчету  устройств  нижнего  бьефа  классифицированы  на  три  группы.  Охарактеризована  каждая  группа  метода  расчета,  приведены  фамилии  ученых,  занимавшихся  этими  исследованиями. 

ABSTRACT

The  existing  various  approaches  to  calculation  of  devices  of  the  lower  byef  are  classified  on  three  groups.  Each  group  of  a  method  of  calculation  is  characterized,  surnames  of  the  scientists  who  were  engaged  in  these  researches  are  given

Ключевые  слова:  гидротехнические  сооружения;  устройства  нижнего  бьефа;  методы  расчета.

Keywords:  hydraulic  engineering  constructions;  devices  of  the  lower  byef;  calculation  methods.

В  общем  случае  расчет  нижнего  бьефа  гидротехнических  сооружений  включает  в  себя  определение  гидравлического  режима  сопряжения  и  величины  сил,  действующих  на  водобой  и  рисберму;  выбор  типа  и  расчет  самого  крепления;  выбор  и  расчет  конструкции  и  местоположения  гасящих  устройств.  Многообразие  перечисленных  факторов  в  сочетании  с  различной  геологией  и  топографией  створа  строящегося  гидротехнического  сооружения  в  значительной  степени  затрудняет  разработку  общей  методики  расчета  и  проектирования  гасителей.

Исследования  устройств  нижнего  бьефа  гидротехнических  сооружений  проводились  во  многих  ведущих  российских  учреждениях  (НИИЭС,  ВНИИГиМ,  ВОДГЕО,  МГСУ,  МГУП),  украинском  институте  УкрНИИГиМ  и  других  организациях.  Большое  количество  работ  по  изучению  гасителей  энергии  выполнено  «Бюро  мелиорации»  и  университетами  США,  учебными  и  исследовательскими  институтами  Великобритании,  Индии,  Канады  и  других  стран.

В  настоящее  время  существует  несколько  различных  подходов  к  расчету  гасителей  энергии  потока.  Анализируя  результаты  отечественных  и  зарубежных  исследований,  имеющиеся  методы  расчета  можно  классифицировать  следующим  образом: 

1.  исследование  гидравлической  структуры  прыжка  или  струи  за  гасителями  при  выходе  потока  на  рисберму  с  последующей  оценкой  величины  остаточной  кинетической  энергии  и  сбойности  течения;

2.  применение  метода  размерностей  для  объединения  основных  переменных  характеристик  потока  на  гидротехнических  сооружениях  в  целях  компоновки  параметров  и  составления  расчетных  зависимостей  по  подбору  оптимального  типа  гасителя;

3.  определение  реактивного  воздействия  гасителей  на  поток  при  различных  гидравлических  режимах  сопряжения  в  зависимости  от  безразмерных  кинематических  и  геометрических  параметров  нижнего  бьефа.

Наибольшее  развитие  получил  первый  метод,  который  зародился  в  соответствующих  разделах  гидравлики.  Он  использовался  при  получении  аналитических  зависимостей  для  расчета  простейших  прыжковых  гасителей  (водобойных  колодцев  и  стенок).  В  этом  плане  наиболее  известны  исследования  советских  авторов  И.И.  Леви,  Д.И.  Кумина,  М,Д.  Чертоусова,  А.С.  Абелева,  Н.Н.  Беляшевского,  Н.Г.  Пивовара,  И.И.  Калантыренко,  И.И.  Тараймовича,  Ф.Г.  Гунько,  А.Н.  Рахманова,  Т.П.  Проворовой,  а  также  работы  зарубежных  авторов  Н.  Раджаратнама,  В.  Мурахари,  Д.Р.  Харлемана,  И.О.  Джондолфо,  Р.Д.  Коста,  В.  Рэнда,  Р.  Нарайанана,  Н.Г.  Боумика,  И.В.  Фортеса,  Р.А.  Скринде,  С.Е.  Баурса,  Ф.У.  Тоая  и  других.  В  трудах  этих  ученых  рассмотрены  частные  случаи  сопряжения  бьефов,  выполнена  качественная  и  количественная  оценка  гидравлической  структуры  течения  в  нижнем  бьефе  без  учета  факторов  силового  воздействия  потока  на  крепление  и  гасители,  или  этот  учет  был  осуществлен  лишь  частично.  Также  надо  иметь  в  виду,  что  во  многих  случаях  расчетные  рекомендации  давались  для  плоских  условий  работы  сооружения.

Применение  второго  метода,  основанного  на  использовании  теоремы  Букингема,  нашло  широкое  распространение  в  ряде  работ  профессора  США  в  области  гидротехники  А.Б.  Рудавского.  В  ходе  компоновки  переменных  А.Б.  Рудавский  приходит  к  функциональной  связи,  выраженной  в  виде  двух  безразмерных  π-членов  [1,  с.  35]:

    (1) 

Полученная  взаимосвязь  двух  параметров  с  помощью  составления  и  решения  уравнения  количества  движения  представляется  на  диапазонной  диаграмме.  На  эти  же  диаграммы  для  исследуемого  диапазона  расходов  наносятся  характеристические  кривые  верхнего  и  нижнего  бьефов,  выраженные  в  безразмерных  параметрах    и  .  При  сопоставлении  диапазона  применения  гасителя  и  характеристической  кривой  делается  вывод  о  приемлемости  данного  вида  гасителя.  Необходимо  отметить,  что  значение  этого  метода  расчета  для  инженера-практика  велико,  однако  отсутствие  в  уравнение  гидродинамических  составляющих  воздействия  потока  на  водобой  и  гаситель  существенно  ограничивает  использование  приведенных  зависимостей.

Третий  метод,  вытекает  из  функционального  назначения  гасителя  и  заключается  в  непосредственном  определении  реактивного  воздействия  препятствия  на  поток.  Этот  метод  получил  развитие  благодаря  созданию  совершенных  приборов  и  электронных  схем  для  измерения  силы  давления  воды  на  исследуемые  конструкции.  Существующие  в  этой  области  исследования  ВНИИГиМ  и  НИИЭС  отражены  в  рекомендациях  по  учету  нагрузок  на  плиты  водобоя  и  рисбермы,  которые  наряду  с  работами  Н.П.  Розанова,  Н.Н.  Пашкова,  Г.А.  Юдицкого,  Н.Н.  Беляшевского,  Н.Г.  Пивовара,  И.И.  Калантыренко  дают  возможность  определения  реакции  гасителя  при  конкретных  схемах  сопряжения  бьефов.  Большое  количество  исследований  силового  воздействия  потока  на  гасители  энергии  выполнили  за  рубежом  известные  научные  работники  и  инженеры-проектировщики:  Н.  Раджаратнам,  Д.  Баско  и  Дж.  Адамс,  В.  Мурахари,  С.К.  Гомаста,  М.К.  Миттел,  П.К.  Пейнд,  Р.  Нарайанан,  С.  Чизас  и  другие.  В  результате  исследований  названных  авторов  получены  графические  зависимости,  способствующие  определению  реакции  некоторых  типов  гасителей.  По  известному  значению  реакции  гасителя  и  составленному  уравнению  количества  движения  определяется  перепад  энергии  за  гасителем  в  зависимости  от  кинематики  потока,  местоположения  и  геометрических  размеров  гасителей  и  водобоя.  В  этом  случае  основной  зависимостью  является  уравнение  изменения  количества  движения  в  проекции  на  горизонтальную  ось,  записанное  для  сжатого  сечения  и  сечения  на  начальном  участке  рисбермы  [2,  с.  67]:

    (2) 

где:  h₁  и  h₂  —  сопряженные  глубины  прыжка  в  предельном  состоянии; 

q   —  удельный  расход  на  водобое; 

R_x   —  реакция  гасителя  (горизонтальная  составляющая):

Величину  самой  реакции  гасителей  определяют  по  известной  формуле  Ньютона: 

    (3) 

где:  С  —  коэффициент  сопротивления  гасителя  рассматриваемого  вида;

  —  площадь  миделева  сечения  гасителя; 

v   —  скорость  набегания  потока  на  гаситель;

  —  объемный  вес  воды.

В  данном  методе  трудность  заключается  в  том,  что  некоторые  из  величин  этой  формулы  известны  лишь  для  исследованных  ранее  типов  гасящих  устройств.  Многие  исследователи  занимались  определением  величины  коэффициента  сопротивления  гасителя  в  зависимости  от  формы  гасителя,  его  размеров  и  расстояния  его  расположения  от  сжатого  сечения.  Кроме  того,  величина  реакции  гасителя  дает  возможность  расчета  сдвигающих  нагрузок  и  опрокидывающих  моментов  на  плиты  крепления  нижнего  бьефа  водопропускных  сооружений.

Несомненный  интерес  представляет  аналитический  метод  расчета,  основоположником  которого  является  А.С.  Образовский,  последующим  развитием  этого  метода  занимался  В.В.  Крылов.  Аналитический  метод  с  достаточной  долей  приближения  позволяет  определить  затопляющую  глубину  и  давление  (реакцию)  для  нескольких  широкоизвестных  типов  гасителей.  Были  получены  обобщенные  зависимости  для  определения  реакции  гасящих  устройств  и  второй  сопряженной  глубины  гидравлического  прыжка. 

Несмотря  на  многообразие  существующих  в  практике  гидротехнического  строительства  устройств  гашения  избыточной  энергии  потока,  а  также  методов  и  зависимостей  для  их  расчета,  эта  проблема  остается  достаточно  актуальной.  В  настоящее  время  отсутствует  общая  методика  расчета  конструктивных  размеров  и  компоновки  устройств  нижнего  бьефа,  при  этом  необходимо  отметить  преимущественное  использование  величины  реакции  гасителей  в  качестве  оптимального  критериального  условия  их  расчета. 

Список  литературы:

1.Аубакирова  Ф.Х.  Проектирование  и  расчет  устройств  нижнего  бьефа  гидротехнических  сооружений:  учеб.пособие  Шымкент,  2013.  —  94  с.

2.Розанов  Н.П.,  Кавешников  Н.Т.,  Китов  Е.И.  и  др.  Устройство  нижнего  бьефа  водосбросов:  монограф.  /  Под  ред.  Розанова  Н.П.  М.:  Колос,  1984.  —  269  с.