ОБРАЗОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ПОТОКА В ВЕРХНЕМ БЕФЕ ВОДОВЫПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

УДК 627.5+532.5

Аннотация

Основными вопросами являются вопросы эффективного использования, оценки безопасного состояния и технического обслуживания водовыпускных сооружений. Цель исследования – образование вихревого потока в верхнем бьефе эксплуатационных водовыпускных сооружений в сложных геологических условиях. Методология включает в себя теорию гидравлики и гидромеханики, которая широко распространена в различных областях науки и техники. На практике вихревой поток в верхнем бьефе сооружения возникает в следующих случаях: недостаточная глубина воды перед сооружениями, высокая скорость потока воды в сооружениях, неравномерный приток воды к сооружениям, наличие ограждений на сооружениях, форма и структура сооружений, наличие свободной поверхности воды в сооружениях, турбулентность потока, несоответствие условий, критерии образования вихревого потока перед сооружениями. Результаты показали, что по расчетам минимально допустимая глубина воды перед водовыпускным сооружением должна быть 3,75 м, для надежной и безопасной работы необходимо обеспечить глубину 5,0 м. Пропускная способность сооружения по проектному показателю составляла 20 м³/с, по расчетам допустимая пропускная способность должна составлять 18,6 м³/с, т.е. необходимо уменьшить на 7%. Тогда возникновения вихревого потока перед сооружением не происходит.

Abstract

The main issues are the issues of effective use, assessment of the safe state, and maintenance of water discharge structures. The aim of the study is to study the formation of vortex flow in the upper reaches of operational water discharge structures under complex geological conditions. The methodology includes the theory of hydraulics and hydromechanics, which is widely used in various fields of science and technology. In practice, vortex flow in the upper pool of a structure occurs in the following cases: insufficient water depth in front of structures, high water flow velocity in structures, uneven water inflow to structures, presence of enclosures in structures, shape and structure of structures, presence of free water surface in structures, turbulence of the flow, inconsistency of conditions, and criteria for the formation of vortex flow in front of structures. The results showed that according to the calculations, the minimum permissible water depth before the water outlet structure should be 3.75 m, while ensuring a depth of 5.0 m is necessary for reliable and safe operation. The facility's throughput capacity according to the design indicator was 20 m³/s; according to the calculations, the permissible throughput capacity should be 18.6 m³/s, meaning it must be reduced by 7%. Then the formation of a vortex flow before the structure does not occur.

Ключевые слова: водовыпускные сооружения, безопасность, надежность, вихревые потоки, канал, верхний бьеф.

Keywords:  water discharge structures, safety, reliability, vortex flows, canal, upper reaches.

Введение

Водовыпускные сооружения относятся к типу сооружений, наиболее часто используемых в отраслях экономики. Поэтому не только в мире, но и в нашей республике особое внимание уделяется вопросам эффективного использования, оценки безопасного состояния и технического обслуживания водовыпускных сооружений в канал [1].

Водовыпускные сооружения имеют важное значение в обеспечении питьевой и оросительной водой, борьбе с наводнениями, малой гидроэнергетике, рыбоводстве, особенно в сельскохозяйственных районах. Сельскохозяйственный сектор остается ключевым фактором развития сел в развивающихся странах.

В мире проводятся научные исследования, направленные на разработку эффективных технологических мероприятий по оценке эксплуатационных показателей и состояния технического обслуживания, эффективному использованию сооружений, продлению установленного срока службы в результате многолетней эксплуатации водовыпускных сооружений в каналах. В этом направлении, в частности, совершенствование существующих методов расчета изменения физико-механических свойств грунтов в основании водовыпускных сооружений, расположенных в сложных геологических условиях, разработка и внедрение в практику требований к эффективному использованию и техническому обслуживанию водовыпускных сооружений считаются актуальными задачами [2-4].

Материалы и методы исследования

В верхнем бьефе водовыпускных сооружений вихревые потоки образуются при сочетании определенных гидравлических и геометрических условий. Учет этого явления очень важен для обеспечения безопасности и надежной работы сооружения, так как вихри могут захватывать воздух, снижать эффективность работы и приводить к вибрации оборудования (рис. 1).

Рисунок 1. Расчетная схема водовыпускного сооружения

Основными условиями образования вихрей потока перед сооружением являются [5-10]:

1. Недостаточная глубина воды перед сооружениями

Если глубина воды перед сооружениями очень мала, на поверхности воды образуется вихрь, который может втянуть воздух в поток.

2. Высокая скорость потока воды в сооружениях

При увеличении скорости потока при входе воды в пролет сооружений и трубопроводы увеличивается вероятность вращения потока и образования вихрей.

3. Неравномерный приток воды к сооружениям

Когда поток приближается к сооружению несимметрично (например, быстрее с одной стороны), возникают зоны вращения воды.

4. Наличие ограждений на сооружениях

Опоры, стены, углы, выступы или неровности дна могут привести к закручиванию потока.

5. Форма и структура сооружений

Резкие кромки, неправильная форма входа или отсутствие направляющих элементов способствуют образованию вихрей.

6. Наличие свободной поверхности воды в сооружениях

В открытых течениях легко образуются вихри потока.

7. Турбулентность потока

При высоких числах Рейнольдса (в турбулентном режиме) вероятность появления вихрей значительно выше.

8. Несоответствие условий

Различная глубина воды, уклон дна или боковые притоки создают круговое движение воды.

9. Критерии образования вихревого потока перед сооружениями

При большом числе Фруда 0,3÷0,5 вероятность образования вихрей потока увеличивается. Чем больше число Фруда, тем интенсивнее происходит образование вихря потока.

При большом числе Рейнольдса 10000 вероятность образования турбулентного и вихревого потока выше.

При соотношении глубины воды к высоте пролета сооружения в пределах 1,5÷2 вероятность образования вихревого потока высока. Поэтому на практике для надежной и безопасной работы сооружения целесообразно, чтобы это соотношение было в пределах 2÷3.

На практике для борьбы с вихревым потоком, образующимся перед водовыпускными сооружениями, увеличивается глубина воды перед сооружением, устанавливаются противовихревые щиты, гладко изготавливаются оголовки труб для плавного проникновения воды в пролеты сооружений, обеспечивается симметричная подача воды в сооружение.

Объектом исследования является водовыпускное сооружение в канале Бирлик, расположенное на территории Республики Каракалпакстан, которое эксплуатируется более 50 лет. Отсутствуют специально установленные контрольно-измерительные аппараты для оценки технического состояния и эксплуатационной надежности сооружения. Подъем затворов осуществляется в ручном режиме.

Водовыпускное сооружение в канал Бирлик расположено слева от ограждающего сооружения и рассчитано на пропуск воды 20 м³/с. Сооружение имеет трубопровод шириной 8 м, высотой 5 м и длиной 50 м, двухочковый проход. Размер отверстий 2,5х2,5 м. На входе установлены два плоских скользящих затвора размером 2,5х2,5 м с одновинтовыми электрифицированными подъемниками. Сопряжение с верхним и нижним бьефами выполнено обратными стенками. Нижний бьеф длиной 50 м укреплен бетоном. Длина рисбермы составляет 25 м, она закреплена на железобетонной решетке валуном (рис. 2).

Рисунок 2. Образование вихревого потока верхнего бьефа сооружения

Результаты и обсуждения

Проверим образование вихря в потоке перед сооружением для водовыпускного сооружения в канал Бирлик на основе геометрических параметров сооружения.

1. Расход воды, проходящий через один пролет сооружения

 м³/с.

2. Одна пролетная площадь сооружения

ω=2,5·2,5=6,25 м².

3. Средняя скорость потока

 м/с.

4. Проверка по критерию Фруда

.

По расчетам, число Фруда, равное 0,32, увеличивает вероятность образования вихревого потока перед сооружением, так как предполагается, что предельное значение числа Фруда находится в пределах 0,3÷0,5.

5. Проверка по числу Рейнольдса

Re>10⁵.

В этом случае расчеты также увеличивают вероятность образования вихревого потока, поскольку превышают пороговое значение числа Рейнольдса.

6. Относительные глубины

В процессе исследования вероятность образования вихревого потока высока, так как отношение глубины воды к высоте пролета сооружения составляет 0,8. Поэтому необходимо обеспечить относительную глубину в пределах 2÷3.

Заключение

На основании вышеизложенного можно отметить, что по расчетам минимально допустимая глубина воды перед водовыпускным сооружением должна быть 3,75 м, для надежной и безопасной работы необходимо обеспечить глубину 5,0 м. При расчете критической глубины воды по числу Фруда установлено, что она находится в пределах 2,6÷2,7 м, то есть минимальный предел должен составлять 2,6 м. Водопропускная способность сооружения по проектному показателю составляла 20 м³/с, по расчетам водопропускная способность сооружения должна составлять 18,6 м³/с, т.е. необходимо уменьшить на 7%. Тогда возникновения вихревого потока перед сооружением не происходит. При пропускной способности 15÷17 м³/с обеспечивается надежная и безопасная работа сооружения.

Список литературы:

1. ICOLD (International Commission on Large Dams). 2016. Bulletin 157: Small Dams: Design, Surveillance and Rehabilitation. Paris: ICOLD.
2. Волосухин В.А. О проблемных вопросах в области безопасности гидротехнических сооружений // Мониторинг: Наука и безопасность. Специальный выпуск. – 2019. – С. 84-97.
3. Каганов Г.М., Волков В.И. К оценке состояния низконапорных гидротехнических сооружений при отсутствии проектной документации // Научно-практический журнал «Природообустройство». – М., 2008. – №3. – С. 41-48.
4. Снежко В.Л. Гидродинамическое регулирование расхода низконапорных водопропускных гидротехнических сооружений. Автореф. дис. … докт. тех. наук. – Москва: 2012. – 47 с.
5. Усмонова Н.А. Прогнозирование кавитации в водовыпускных трубопроводах водохранилища по методу критических параметров // Научно-технический журнал ФарПИ. – Фергана, 2019. – С. 84-88.
6. Нишонов Ф.Х. Распространения ударного давления в гидротаране строительного комплекса // Узбекский журнал «Проблемы механики». – Ташкент, 2017. - №1. – С. 83-86.
7. Paluanov D.T., Tlegenova G.M., Aitbaeva F.R. Ensuring the safety of hydraulic structures and assessing their impact on the technical condition // Journal of Civil, Structural, Environmental, Water Resources and Infrastructure Engineering Research. – India, 2024. – Volume 14. – Issue 1. – P. 67-70.
8. Paluanov D.T. Construction of low-pressure hydraulic structures // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (AEGIS-2022) 1076(2022)012080. – P. 1-5.
9. Paluanov D.T. Field studies to determine the deformation of low-pressure hydraulic structures // E3S Web of Conferences 401, 03066 (2023) CONMECHYDRO-2023. – P. 1-6.
10. Розанов Н.Н. Моделирование работы гидротехнических сооружений. – М.: Изд-во РУДН, 1998. – 108 с.

References:

1. ICOLD (International Commission on Large Dams). [Bulletin 157: Small Dams: Design, Surveillance and Rehabilitation]. Paris: ICOLD, 2016. (In Russ.)
2. Volosukhin V.A. [Problems of Safety in Hydraulic Engineering Structures]. Monitoring: Science and Safety, Special Issue, 2019, pp. 84–97. (In Russ.)
3. Kaganov G.M., Volkov V.I. [Assessment of the Condition of Low-Head Hydraulic Structures in the Absence of Design Documentation]. Naučno-praktičeskiy Zhurnal «Prirodoustroystvo», 2008, No. 3, pp. 41–48. (In Russ.)
4. Snezhko V.L. [Hydrodynamic Regulation of Flow in Low-Head Water Conduits of Hydraulic Structures]. Candidate Dissertation Abstract, Doctor of Technical Sciences, 2012, Moscow, 47 p. (In Russ.)
5. Usmonova N.A. [Forecasting Cavitation in Reservoir Water Pipelines Using Critical Parameters Method]. Naučno-tekhnicheskiy Zhurnal FarPI, 2019, pp. 84–88. (In Russ.)
6. Nishonov F.Kh. [Propagation of Shock Pressure in Hydraulic Structures of Building Complex]. Uzbeckiy Zhurnal «Problemy Mekhaniki», 2017, No. 1, pp. 83–86. (In Russ.)
7. Paluanov D.T., Tlegenova G.M., Aitbaeva F.R. [Ensuring the Safety of Hydraulic Structures and Assessing Their Impact on the Technical Condition]. Journal of Civil, Structural, Environmental, Water Resources and Infrastructure Engineering Research, India, 2024, Vol. 14, No. 1, pp. 67–70. (In Russ.)
8. Paluanov D.T. [Construction of Low-Pressure Hydraulic Structures]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, AEGIS-2022, Vol. 1076, 2022, pp. 1–5. (In Russ.)
9. Paluanov D.T. [Field Studies to Determine the Deformation of Low-Pressure Hydraulic Structures]. E3S Web of Conferences, Vol. 401, 2023, p. 03066. (In Russ.)
10. Rozanov N.N. [Modeling the Operation of Hydraulic Structures]. Moscow: RUDN Publishing, 1998, 108 p. (In Russ.)