режим промыва верхнего бьефа гидроузлов горных рек при

УДК 626.627
РЕЖИМ ПРОМЫВА ВЕРХНЕГО БЬЕФА ГИДРОУЗЛОВ ГОРНЫХ РЕК ПРИ
УСТРОЙСТВЕ В СОСТАВЕ СООРУЖЕНИЯ КОСОНАПРАВЛЕННОГО ПОРОГА
ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТЫ*
М.М. Абидов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
В русле горных рек непрерывно происходит глубинная и боковая эрозия. Речной
поток оказывает постоянное динамическое воздействие на формирование рельефа дна и
положение русла в плане. Поэтому характерной особенностью для рассматриваемых рек
являются большие объемы твердого стока и изменчивость их перемещения во времени.
Учитывая, что коэффициенты водозабора на многих низконапорных гидроузлах горных
районов практически достигают 100 %, единственной возможностью обеспечения
безнаносного водозабора является эксплуатация гидроузла в режиме периодического
занесения и промыва подпорного бьефа.
Успешная эксплуатация гидроузла и подача потребителям очищенной от наносного
материала воды возможна лишь при правильном учете накопившихся в подпорном бьефе
наносов и своевременно проведенной промывке бьефа. Таким образом удается привязать
водозаборное сооружение к естественному режиму водоисточника и уменьшить
интенсивность процессов переформирования русла реки. Только добившись баланса
накопившихся и промытых в нижний бьеф наносов с учетом переформирования
вышележащих и нижележащих по течению участков реки, можно обеспечить надежность
работы водозаборного гидроузла длительное время.
В лаборатории гидравлики водопропускных сооружений кафедры гидротехнических
сооружений МГУП проведены исследования промыва подпорного бьефа водозаборного
гидроузла для горных рек при устройстве в его составе косонаправленного порога
переменной высоты.
Устройство перед водоприемником выдвинутого в верхний бьеф косонаправленного
порога создает достаточно специфичную, отличную от других бьефов, картину занесения
наносами. Данная специфика выражается в некотором перекосе фронта гряды занесения,
в различных высотах ее гребня у противоположных берегов подпорного бьефа, что, в
свою очередь, обусловливает определенную картину промыва бьефа от наносных
отложений.
Принцип действия косонаправленного порога переменной высоты основан на
возбуждении поперечной циркуляции потока в результате перераспределения расхода
течения по ширине русла [3, 4] в сторону промывных пролетов водоподпорной плотины.
При этом порог удаляет гряду наносных отложений от водоприемника в сторону
промывника, что улучшает промыв подпорного бьефа. Устройство порога вызывает
некоторое сужение живого сечения потока в зоне промывных пролетов плотины, что
также увеличивает интенсивность промыва.
Размыв гряды наносных отложений происходит неравномерно по времени [1,2].
После открытия всех промывных затворов уровни воды резко снижаются, что приводит к
столь же резкому увеличению продольных скоростей потока и интенсивному размыву
гряды в зоне ее фронта. Первоначально размыв гряды ускоряется за счет сил
собственного веса частиц, слагающих крутой откос гребня гряды. В результате откос как
бы сползает при одновременном переливе через него воды и размыве наносов. Спустя
некоторое время скорости потока устанавливаются размывающими и происходит
*
Научный руководитель аспиранта д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ И.С. Румянцев.
интенсивный размыв поверхности гряды. В конечной стадии промыва наблюдается более
интенсивный размыв начальной части гряды.
Нами рассмотрена неравномерность промыва гряды наносных отложений по
ширине подпорного бьефа. Косонаправленный порог перед водоприемником является
определенным препятствием при промыве подпорного бьефа. Гряда отложений наносов в
зависимости от подпора Н и высоты порога Рср не доходит до подпорной плотины на
некоторое расстояние. Чем больше подпор Н и меньше высота порога Рср, тем быстрее
происходит занесение порога и наносы начинают поступать в водоприемник, и тем
дальше от плотины стабилизируется фронт гряды наносных отложений (рис. 1…3).
а
б
в
г
Рис. 1. Формирование фронта гряды перед косонаправленным порогом, расположенным
под углом 30 к оси течения при различных коэффициентах водозабора в:
а - в = 0,3;
б - в = 0,5; в - в = 0,7; г - в = 0,9
а
б
в
г
Рис. 2. Формирование фронта гряды перед косонаправленным порогом, расположенным
под углом 22 к оси течения при различных коэффициентах водозабора в:
а - в = 0,3; б - в = 0,5; в - в = 0,7; г - в = 0,9
а
б
в
г
Рис. 3. Формирование фронта гряды перед косонаправленным порогом, расположенным
под углом 15 к оси течения при различных коэффициентах водозабора в:
а - в = 0,3; б - в = 0,5; в - в = 0,7; г - в = 0,9
В результате перераспределения порогом расходов течения в подпорном бьефе
происходит неравномерное по высоте формирование фронта гряды. В первоначальный
момент промыва происходит более интенсивный размыв фронта гряды. При этом в
большей степени подвергаются размыву участки гряды наносных отложений,
расположенные на пониженных отметках, что вызывает неравномерность промыва по
ширине русла.
Для оценки эффективности промыва подпорного бьефа по ширине подводящее
русло было разбито на три створа: створ в зоне действия косонаправленного порога
переменной высоты, средний створ по ширине русла и створ противоположного порогу
берега (рис. 4).
Рис. 4. Схема разбиения подпорного бьефа на створы
Проведенные исследования показали, что при увеличение подпора, а следовательно,
и высоты гряды наносных отложений в бьефе размыв происходит быстрее, и
неравномерность промыва по ширине бьефа увеличивается (рис. 5). Из графиков видно,
что при отношении Рср/Нср = 0,70 создаются более благоприятные условия равномерного
по ширине промыва бьефа от наносов.
В створе порога может образоваться бар непромываемых наносных отложений.
Поверхность гряды при этом частично обнажается и эффективность смыва отложений
снижается. В створе промывных пролетов подпорной плотины, наоборот, происходит
увеличение продольных скоростей течения, и поток работает весь период промыва на
глубинный размыв (рис. 6).
а) Кв = 0,3; Рср/Нср = 0,78
б) Кв = 0,5; Рср/Нср = 0,73
1.00
Wост
Wo
Wост1.00
0.90
Wo
0.90
0.80
0.80
0.70
0.70
0.60
0.60
0.50
0.50
0.40
0.40
0.30
0.30
0.20
0.20
0.10
0.10
0.00
0.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
в) Кв = 0,7; Рср/Нср = 0,65
1.00
Wост
Wo
ti T
г) Кв = 0,9; Рср/Нср = 0,58
ti T
1.00
0.80
Wост0.90
Wo 0.80
0.70
0.70
0.60
0.60
0.50
0.50
0.40
0.40
0.30
0.30
0.20
0.20
0.10
0.10
0.90
0.00
0.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
ti T
ti T
Рис. 5. Динамика промыва подпорного бьефа от наносных отложений
при различных условиях водозабора:
– створ наносорегулирующего порога;
– створ по центру бьефа;
– створ противоположного порогу берега.
а
б
в
г
Рис. 6. Промыв подпорного бьефа от наносных отложений при
различных коэффициентах водозабора в:
а - в = 0,3; б - в = 0,5; в - в = 0,7; г - в = 0,9
Неравномерность промыва напрямую зависит от угла расположения порога в плане.
В результате проведенных нами исследований выявлено, что наиболее эффективный
промыв подпорного бьефа от наносных отложений происходит при расположении порога
под углом 20…25 к оси потока.
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.