регулирование наносного режима при водозаборе из рек горной

УДК 7626.627
РЕГУЛИРОВАНИЕ НАНОСНОГО РЕЖИМА ПРИ ВОДОЗАБОРЕ
ИЗ РЕК ГОРНОЙ ЗОНЫ*
М.М. Абидов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Основной проблемой водозаборных сооружений из рек горной зоны является
удаление наносов из отбираемой части речного стока. Если данная проблема не решается,
происходит значительное снижение водопропускной способности магистральных каналов
и рабочего объема регулирующих резервуаров. В результате ежегодные объемы очистки
каналов от наносных отложений достигают больших величин и требуют значительных
материальных и трудовых затрат. Наиболее простым и часто используемым решением
данной проблемы является устройство перед водоприемником донного порога,
вызывающего искусственную поперечную циркуляцию в верхнем бьефе гидроузла с
перераспределением удельных расходов по ширине русла и отвлечением
транспортируемых потоком наносов к промывнику.
В последнее время коэффициент водозабора на многих низконапорных гидроузлах
горных и предгорных районов достигает почти 100 %. Работа сооружений при этом
чрезвычайно осложняется наличием большого количества наносного материала. В
данных условиях единственным выходом из создавшегося положения является переход
водозаборного гидроузла в режим периодического занесения и промыва подпорного
бьефа. Для регулирования наносного режима на водозаборном гидроузле необходимо
учесть накопление наносов в верхнем бьефе сооружения и правильно рассчитать
промывной режим. Это условие позволит привязать сооружение к естественному режиму
руслового потока и уменьшить интенсивность руслоформирующих процессов. Только
добившись определенного баланса наносов на водозаборе, можно обеспечить надежную
работу сооружения в течение длительного времени.
В лаборатории гидравлики водопропускных сооружений кафедры гидротехнических
сооружений МГУП проведены исследования регулирования наносного режима при
водозаборе из горных рек. Модель низконапорного водозаборного гидроузла была
выполнена из органического стекла. Принято боковое водозаборное сооружение как
наиболее приспособленное к условиям рек горной и предгорной зоны. На русловой части
установки создавалась искусственная шероховатость, моделирующая естественную
отмостку русла. Наносы на модель подавались с помощью дозатора. Для борьбы с
наносами использовалась поперечная циркуляция, возбуждаемая косонаправленными
порогами переменной высоты, также выполненными из органического стекла.
В задачу исследований входило изучение качественной и количественной картин
процессов занесения и промыва на водозаборном гидроузле с выявлением при этом
оптимальной компоновки гидроузла. Статическая обработка результатов наиболее
трудоемких частей цифрового материала экспериментальных исследований выполнялась
на ЭВМ.
Для правильного регулирования режима занесения верхнего бьефа водозаборного
сооружения влекомыми рекой донными наносами важно знать основные параметры
формирующейся гряды наносных отложений: высоту гребня гряды hгр о в конце
безнаносного периода работы сооружения tдоп, скорость перемещения фронта гряды по
направлению к створу водоприемника Сг, уклон ее поверхности J и длину гряды
занесения Lг.
*
Научный руководитель аспиранта д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ И.С. Румянцев
Известно, что, кроме гидравлических и наносных характеристик на высоту гряды
оказывают влияние параметры водозаборного сооружения. В своих работах Р.К. Кромер
[1, 2] учитывает их параметром Н/Н, который может быть представлен как
ΔН Н-h

,
(1)
Н
Н
где Н – напор на плотине водозаборного сооружения, м;
h – бытовая глубина русла
реки, м.
Н
В наших опытах величина
изменялась в диапазоне от 0,47 до 0,71. На рисунке 1
Н
представлены результаты обработки полученных нами опытных данных по высоте гряды
занесения подпорного бьефа. Построены два отдельных графика для створов в зоне
расположения косонаправленного порога (а) и на противоположной стороне (б) по
ширине русла в конце периода занесения подпорного бьефа до допустимого предела из
условия безнаносного водозабора. Величина высоты гряды занесения, как показывают
представленные графики, однозначно зависит от величины Н Н . Р.К. Кромер [1, 2] при
исследовании случая занесения прямолинейного участка подпорного бьефа без
устройства порога перед водоприемником получил график, представленный на рис. 2, и
ΔН 2
следующую зависимость hг р о  1,12
. Анализ полученных нами данных показал, что
Н
представленные графики можно аппроксимировать выражением
ΔН 2
,
(2)
hгпор

1
,
12
К
ро
п
Н ср
где
Кп – коэффициент влияния на формирование гряды косонаправленного порога.
h пром
гр. о
Н
Н
hgr / dH
h
hgr / dH
1.50
пром
гр. о
1.40
1.50
1.40
1.30
1.30
h пром
гр. о  1,12 К п
1.20
Н
Н min
2
h порог
гр. о  1,12 К п
1.20
Н 2
Н max
1.10
1.10
1.00
1.00
0.90
0.90
0.80
0.80
0.70
0.70
0.40
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
Н
dH / H
Н
0.90
0.50
0.60
0.70
0.80
Н
dH / H
Н
Рис.1. Графики занесения подпорного бьефа водозаборного гидроузла
0.90
h гр. о
ΔН
h гр. о  1,12
ΔН 2
Н
ΔН
Н
Рис.2. График занесения прямолинейного участка русла без порога
/данные Р.К. Кромера/
Сравнение прямых на рис. 1, 2 показывает их различную ориентацию в поле
графиков. Направление графиков на рис. 1 указывает, что глубина в створе
наносорегулирующего порога больше, чем в створе промывной плотины. При этом
высота гряды занесения наоборот, больше в створе промывника. Для случая без
устройства порога (рис. 2) большим значениям глубины Н соответствуют большие
значения
hгр.
Данная
картина
занесения
обусловливается
вызываемой
наносорегулирующим порогом поперечной циркуляцией в подпорном бьефе с
перераспределением удельных расходов потока по ширине русла.
Для определения коэффициента влияния порога Кп на формирование гряды
занесения рассмотрим, какие изменения вносит косонаправленный порог переменной
высоты в гидравлический режим работы водозаборного сооружения. Устройство порога в
подводящем русле водозабора вызывает дополнительный подпор потока к уже
существующему подпору от перегораживающей плотины. В результате подъема уровня
воды в зоне действия порога увеличивается глубина потока. Свободная поверхность
течения при этом имеет двоякую кривизну. По направлению русла ее кривизна
определяется действием порога, а в поперечном направлении – перераспределением
расхода по ширине русла в результате переменной высоты порога. По данным
исследований Г.В. Соболина [3, 4], поперечная кривизна потока распространяется вверх
по течению на расстояние, приблизительно равное 15…20 глубинам потока.
Максимальная кривизна свободной поверхности потока в поперечном направлении
наблюдается в пониженной части порога, постепенно уменьшаясь выше по течению.
На рисунке 3 приведены кривые изменения абсолютных значений поперечного
уклона свободной поверхности iпов п по ширине русла В, полученные Г.В. Соболиным [3,
4] в результате лабораторных исследований косонаправленных порогов переменной
высоты.
Рис. 3. Кривые изменения абсолютных
величин поперечного уклона по
ширине русла /данные Г.В. Соболина/
Течение потока в открытом русле характеризуется неравномерной скоростью по
глубине. Поэтому частицы жидкости, лежащие на разных глубинах, обладают разной
инерционностью. В результате натекания потока на преграду – порог придонные слои
течения, имеющие меньшие скорости, больше отклоняются от первоначального
направления, чем частицы верхних слоев потока, имеющие большие скорости. При этом в
зоне действия порога возникает поперечная циркуляция потока. Кроме того, в придонной
области образуется непрерывный винтовой донный валец, придающий потоку продольнопоступательное движение вдоль порога к промывнику. Вследствие вышеизложенного,
глубина потока у порога больше, и в то же время высота гряды занесения больше у
противоположного берега подпорного бьефа.
Отношение глубины воды в створе порога к глубине воды в створе водосбросной
плотины назовем коэффициентом влияния косонаправленного порога на гидравлические
характеристики течения в подпорном бьефе
Н
К п  max ,
(3)
H min
где Нmax и Нmin – глубина воды у порога и в створе водосбросной плотины
соответственно, м.
Закономерность изменения поперечного уклона в прямолинейном русле в зоне
действия косонаправленного порога в какой-то степени аналогична изменению
поперечного уклона на изгибе русла.
Проведем расчет высоты гряды наносных отложений в подпорном бьефе гидроузла
при использовании в его составе донного косонаправленного по течению порога
переменной высоты. Расчет производится обычными методами гидравлики [3, 5]. Донный
порог выполняется в виде водослива с тонкой стенкой, расположенного перед
водоприемником водозабора. Расход, проходящий через косонаправленный порог,
определяется коэффициентом водозабора и равен забираемому расходу Qп = Qвз.
L
Qп  mп 2 g  ho3 2 dl ,
(4)
o
где mп – коэффициент расхода порога; hо – глубина потока над гребнем порога с учетом
скорости подхода течения в сечении на расстоянии l от начала порога, м; L – общая
длина порога, м.
Глубину проходящего над порогом потока в сечение, отстоящем от начала порога на
расстоянии l определяем
h  h1
h  h1  2
l ,
(5)
L
где Н – глубина потока над порогом в сечении l, м; h1,h2 - соответственно глубина
потока над гребнем в начале и конце порога, м; L – общая длина порога, м; l –
расстояние до рассматриваемого сечения, м.
h  h1
 iпор  iпов  cos  , то h  h1  iпор  iпов  cos   l ,
Так как 2
(6)
L
где iпор – уклон гребня порога;
iпов – уклон свободной поверхности потока,
переливающегося через порог;
 – угол установки порога в плане по отношению к оси
потока.
Вводя обозначения i  iпор  iпов  cos  , получаем h  h1  Δi  l .
(7)
Скорость подхода потока к сооружению, по данным исследований [3, 4], может быть
принята постоянной по ширине русла, и в первом приближении можно записать


Vo2
,
(8)
2g
где К – коэффициент, учитывающий угол расположения порога в плане.
Учитывая вышеизложенное, расход косонаправленного порога определяется
уравнением
ho  h  K α
L
Qп  mп 2 g  ho1  Δi  l 3 2 dl ;
(9)
o
и после интегрирования получаем
Qп 
где


2 1
  mп 2 g  ho522  ho512 ,
5 Δi
ho2  ho1  Δi  l ;
(10)
(11)
Vo2
.
(12)
2g
Если режим сопряжения потока за порогом затопленный, расход воды определяется
2 σ
Qп   п  mп 2 g  ho522  ho512 ,
(13)
5 Δi
где п 2– коэффициент подтопления порога.
Расчет производится в следующей последовательности. Сначала принимается
предположение о незатопленном режиме работы порога и подбором определяется
глубина в начале порога h1. Затем проверяется подтопление порога, и если
подтверждается первоначальное предположение, то глубина h1 принимается за
расчетную. Если сопряжение потока за порогом оказывается затопленным, то определяем
глубину h1 с учетом подтопления.
Определяем высоту гряды занесения hгпор
р о по приведенной выше формуле,
ho1  h1  K α


предварительно рассчитав среднюю глубину потока перед порогом
Нср = hср + Рср,
(14)
где hср – средняя глубина потока, переливающегося через порог, м,
hср  h01  Δi  L 2 ;
(15)
Рср – средняя высота порога, м.
Для анализа изменения высоты гряды во временном интервале введем понятие
безразмерного времени τ  ti tдоп . В начальный момент времени  = 0…0,2 высота гряды
резко возрастает, затем приращение гряды несколько затухает и в конечной стадии
 = 0,9…0,95 высота гряды стабилизируется. Независимо от стадии занесения высота
гряды зависит в основном от величины подпора. Высота гряды hгр i в произвольно
выбранной точке в любой момент времени может быть определена по формуле,
предложенной Р.К. Кромером [1, 2]
1 

пор
hгр i  1,03 hгр
 τ ,
о τ  1,541,7 

(16)
где hгпор
р о – высота гряды при устройстве в верхнем бьефе гидроузла косонаправленного
порога переменной высоты, рассчитанная по вышеизложенной методике.
Уклон поверхности гряды Jо и длину гряды Lгр за период занесения подпорного
бьефа до допустимого объема Wдоп из условия безнаносного водозабора рекомендуем
принимать по методике, изложенной в работе Р.К. Кромера [1, 2].
Характер изменения скорости перемещения фронта гряды в исследуемых нами
условиях, отнесенный к любому моменту времени в интервале  = 0…1, может быть
определен по формуле
С
1
Сi 
 о2 ,
(17)
K п 2 τ-τ
где Кп – коэффициент влияния косонаправленного порога переменной высоты; Со –
средняя скорость движения гряды на прямолинейном участке, определяемая по формуле
[1, 2]
4 
1,6
V 
пор
(18)
Со  10  Fr  
g  hгр
о,
V
н

где Fr – число Фруда в бытовом русле; V – средняя скорость бытовом русле реки; Vн –
неразмывающая скорость; hгп ро –р о высота гребня гряды для условий водозабора с
косонаправленным порогом переменной высоты в момент занесения бьефа до
допустимого объема Wдоп; g – ускорение свободного падения.
Библиографический список
1. Кромер Р.К. Исследование процессов занесения и промыва подпорных бьефов
низконапорных гидроузлов на реках горно-предгорной зоны: Автореф. дис.…канд.
техн. наук. М., 1979.
2. Кромер Р.К. Занесение и промыв верхних бьефов водозаборных сооружений.
//ТИИИМСХ.Ташкент, 1987.
3. Соболин Г.В. Борьба с наносами при водозаборе в каналы оросительных систем
горно-предгорной зоны: Автореф. дис.…д-ра. техн. наук. М., 1987.
4. Соболин Г.В. Защита сооружений на реках и каналах от наносов. Фрунзе:
Кыргызстан, 1968.
5. Справочник по гидравлическим расчетам. /Под ред. П.Г. Киселева. М.: Энергия, 1972.