ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА УДЕЛЬНЫЕ ЭКОНОМИЧНЫЕ РАСХОДЫ НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

Курбанова З.А.

Кандидат технических наук, доцент кафедры мелиорации, землеустройства и кадастров ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА УДЕЛЬНЫЕ ЭКОНОМИЧНЫЕ РАСХОДЫ НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

Аннотация

Из-за отсутствия в нормативных документах методик и рекомендаций для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин, с учетом всех сопутствующих сооружений флютбета в проектной практике используется упрощенный и приближенный метод вариантного проектирования. Такой метод требует  при ручном счете значительных трудовых и временных затрат. В результате проведенных исследований получены новые графические зависимости и аналитические выражения для определения удельных экономичных расходов низконапорных водосливных плотин на нескальном основании от различных факторов, которые позволяют проектировщикам на предвариантной стадии проектирования на основании имеющихся исходных данных, однозначно назначать удельные расходы водосливных плотин.

Ключевые слова: методика, удельный расход, плотина, нижний бьеф, водосливной фронт, зависимости.

Kurbanova Z.A.

PhD, associate professor of melioration, land management and FGBOU VPO inventories "Dagestan State Technical University", Makhachkala

RESEARCH OF INFLUENCE ON SPECIFIC ECONOMIC EXPENSES OF LOW PRESSURE OVERFLOW DAMS OF VARIOUS FACTORS

Abstract

The simplified and approximate method of alternative design is used because of absence in normative documents of techniques and recommendations for definition of specific economic expenses of overflow dams, taking into account all accompanying flood constructions in design practice. Such method demands considerable labor and time expenditure at the manual account. As a result of the conducted researches new graphic dependences and analytical expressions for definition of specific economic expenses of low pressure overflow dams on not rocky basis from various fakirs who allow designers at a prealternative design stage on the basis of available basic data are received, unambiguously to appoint specific expenses of overflow dams.

Key words: technique, specific expense, dam, bottom downstream, water drain front, dependences.

При проектировании водосливных плотин на нескальном основании определяют удельный расход воды (), водопропускного сооружения, соответствующий экономичному профилю водосливного фронта плотины. Удельный экономичный расход () является важнейшей характеристикой пропускной способности водосливной плотины, а выбор его значения во многом определяет конструкцию плотины, режимы сопряжения бьефов, конструкцию крепления верхнего и нижнего бьефа и, как следствие, стоимость всего гидроузла.

Из-за отсутствия в нормативных документах методик и рекомендаций для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин и соответствующих им параметров сооружений водосливного фронта, часто расчетные значения удельных расходов водосливных плотин назначают на основании данных практики и рекомендаций.

Так в литературных источниках рекомендуется назначать  = 15÷25 м³/(с.м) для низконапорных плотин и 25÷75 м³/(с.м) -  для  средненапорных плотин [1]. Давая данные рекомендации, при этом не конкретизируется для каких рек по величине расчетного расхода (), каких напоров (), каких конкретно грунтов основания плотины () и т.д. справедливы данные рекомендации. Кроме того, на значения  влияют такие факторы, как характеристика грунта основания плотины, коэффициенты заложения верхового  и низового   откосов земляной плотины, примыкающей к водосливной.

Известно, что на стоимость сооружений водосливного фронта влияют такие факторы как:- расчетный сбросной расход;  - геометрический напор (перепад) на сооружении; - глубина воды в нижнем бьефе;  - скорость подхода воды к плотине; - скорость воды на рисберме;  - коэффициент скорости; и  - соответственно коэффициенты верхового и низового откосов земляной плотины; - ширина гребня земляной плотины; - высота бетонной плотины;  - коэффициент ширины основания плотины, характеризующий вид грунта основания плотны; -  стоимости соответственно 1 м³ бетонных, железобетонных, грунтовых и т. п. работ.

Предполагая, что вышеперечисленные гидравлические, геометрические, геологические, стоимостные и др. показатели могут влиять также и на  величину удельного экономичного расхода, было предусмотрено проведение численных экспериментов по изучению зависимости:

                 (1)

и выявлению группы доминирующих факторов, входящих в зависимость (1) от которых может зависеть численное значение  .

Для изучения данной зависимости и выявления степени влияния различных факторов на величину удельного экономичного расхода были разработаны алгоритм и программный комплекс, реализующий алгоритм расчета на ЭВМ удельных экономичных расходов низконапорных водосливных плотин на нескальном основании с различными вариантами (по конструкции и материалам) сооружений водосливного фронта [2, 4].

В основу данной методики положена классическая теория сопряжения бьефов с затопленным гидравлическим прыжком на водобое. В качестве исходной модели взята водосливная плотина с водобойным колодцем и рисбермой. Перед плотиной предусмотрен бетонный понур. По обе стороны водосливной фронт ограничен стенами – устоями. За рисбермой учитывается яма размыва с концевым креплением и общее понижение дна нижнего бьефа за креплением русла (рис 1).

Рис. 1- Расчетная схема водосливного фронта плотины: 1- водосливная плотна; 2 – водобой;  3 – рисберма; 4 – концевое крепление; 5 – крепление берегов вдоль рисбермы; 6 – стены-устои; 7 – понур, 8 – обратный фильтр.

Расчетная модель водосливной плотины принята практического профиля с параметрами, наиболее часто встречающимися в практике проектирования и строительства. Ширина основания плотины принята равной  где – коэффициент, учитывающий вид грунта основания, принят как среднее значение между =1,25÷2,5 и  – высота бетонной водосливной плотины от основания до гребня водослива. Минимальное значение удельных расходов на водосливе регулируемой части плотины принимается равной удельному расходу воды в реке в естественном состоянии, при прохождении паводка соответствующего особому случаю. Боковые стены–устои в продольном направлении повторяют профиль земляной плотины до сопряжения со стеной водобойного колодца, верх которой на 1,5м выше уровня нижнего бьефа (принято без расчета возможной высоты волн). 

Данная методика гидравлического расчета удельных экономичных расходов и соответственно оптимальных параметров водосливной плотины  включает следующие пункты расчета:

- гидравлический расчет однопролетной и многопролетной водосливной плотины, который заключается в определении количества и ширины водосливных отверстий, геометрических размеров плотины (высота плотины и ширина водосливного фронта плотины);

- расчет сопряжения бьефов за водосливной плотиной, который заключается в определении сопряженных глубин в нижнем бьефе и типа сопряжения бьефов;

- гидравлический расчет гасителей энергии (водобойной плиты, водобойной плиты  с реактивными гасителями, водобойного колодца, водобойной стенки и комбинированного водобойного колодца). Выбор того или иного гасителя энергии производится из условия сопряжения бьефов из технико-экономических соображений;

- расчет рисбермы, который заключается в определении размеров плит крепления и общей длины рисбермы. При расчете рисбермы из каменной наброски определяется диаметр камня наброски, из условий устойчивости его на размыв. Выбор типа крепления рисбермы (бетонные плиты, каменная наброска) выполнятся из условия допустимых скоростей потока на рисберме;

 - расчет концевого крепления, который заключается в определении глубины ямы размыва, диаметра камня ковша и высоты стенки зуба;

- расчет стен-устоев различных конструкций: полумассивных бетонных Г-образного типа, железобетонных и ячеистых. Расчет включает в себя определение геометрических размеров устоев заданной конструкции, их объемов и стоимости;

- определение объемов работ по плотине и сооружениям водосливного фронта;

- расчет стоимости плотины и сооружений водосливного фронта.

При планировании эксперимента для проведения исследований, по изучению зависимости (1) все факторы, которые предположительно могли бы влиять на значение , были разделены на 4 группы.

Первая группа – факторы гидравлических параметров. К ним относятся: расчетный сбросной расход , геометрический перепад на сооружении , - глубина воды в нижнем бьефе;  - скорость подхода воды к плотине; - скорость воды на рисберме; - коэффициент скорости и т. д.

Вторая группа – факторы геометрических параметров. К ним относятся:и  - соответственно коэффициенты верхового и низового откосов земляной плотины; - ширина гребня земляной плотины; - высота плотины и т. д.

Третья группа факторов – факторы стоимостей материалов: - стоимость 1 м³ бетонных работ, - стоимость 1 м³ железобетонных работ, - стоимость 1 м³ грунтовых работ, - стоимость материала обратного фильтра; - стоимость 1 м³  камня и т. п.

Четвертая группа – вид грунта основания плотины, который в разработанной методике учитывается коэффициентом ширины основания плотины .

Учитывая, что исследования проводятся для низконапорных водосливных плотин на нескальном основании, был определен диапазон варьирования численных значений вышеперечисленных факторов.

1. Расчетный расход принимался равным  100 ¸ 1000 м³/с  шагом 100 м³/с;

2. Геометрический напор на сооружении принимался равным = 2 ¸ 10м шагом 1м;

3. Глубину воды в нижнем бьефе изменяли в пределах = 1÷ 5 м шагом 1м;

4. Значения коэффициентов откосов земляной плотины, примыкающей к водосливной, принимались в следующих сочетаниях

5. Коэффициент основания плотины, который зависит от вида грунта основания плотины для нескальных грунтов, принимался равный = 1,5; 2,0; 2,5.

Анализ результатов численных экспериментов с использованием разработанного программного комплекса показал, что  из всех факторов, входящих в формулу (1), наиболее существенное влияние на значение  оказывают такие факторы, как ,, . В меньшей степени сказывается влияние . Остальные параметры зависимости (1) на значение не влияют. Таким образом, вместо зависимости (1) можно записать:

                        .                                                 (2)

На следующем этапе исследований, предварительно определив диапазон варьирования численных значений факторов зависимости (2), был проведен полный факторный эксперимент, в котором на каждом численном опыте варьировались одновременно все выше перечисленные переменные (факторы) по специальному плану. Уровни (границы диапазонов) каждого фактора комбинировались со всеми уровнями других факторов, что позволило максимально упростить последующую обработку экспериментальных данных. В результате анализа результатов численного эксперимента получены графики зависимости  для различных сочетаний , которые дают наглядную картину влияния вышеперечисленных параметров на , а также характер самих кривых.

В ходе обработки результатов расчетов всех вышеуказанных вариантов было получено большое количество графиков зависимости , которые во многих случаях незначительно отличаются друг от друга. Анализ результатов расчетов показывает, что характер кривых зависимости  для глубин  = 1÷5 м различен при разных значениях , но в целом изменяются по степенной зависимости . В целом численные значения удельных расходов для =100 ÷ 1000 м³/с,  = 1÷5 м и = 1 ÷10 м лежат в пределах  = 1 ÷ 15 м³/с.м. Небольшое влияние на величину  таких параметров какпозволяет обобщить и усреднить полученные результаты.  С уменьшением значений , влияние коэффициентов на значение  ощущается только для глубин 1 ÷ 3 м. Для  = 4÷5 м значение  при различных значениях совпадает.

Это позволяет строить единые обобщенные графики зависимости  для различных значений .

Расхождение величин  при различных значениях коэффициентов  составляет 0 ¸ 2 м²/с. Для объекта такого класса капитальности это отклонение незначительно отражается на ее стоимости. После построения обобщенных графиков отдельно для каждой глубины ,  для удобства пользования ими, эти графики сведены в один сводный для каждого значения . Так обобщенные графики  для расходов = 1000 и  100 м³/с приведены на рисунках 2, 3.

Аналитическое выражение зависимости   по результатам регрессионного анализа описывается степенной зависимостью . В результате регрессионного анализа, были получены аналитические зависимости удельных экономичных расходов от напора на сооружении для расчетного расхода = 1000 м³/с  и глубин воды в нижнем бьефе = 1 ¸ 5 м.

Для глубины воды в нижнем бьефе = 1 м зависимость имеет вид:

величина достоверности аппроксимации равна R² = 0,97;

Рис. 2 - Обобщенные графики зависимости

Рис. 3 - Обобщенные графики зависимости 

при 

для глубины и остальных вышеуказанных параметрах: ,   R² = 0,99;

для глубины

для глубины

для глубины

для глубины

для глубины

Аналогичные зависимости получены и для расчетных расходов  = 200 ¸ 1000 м³/c и глубин = 3, 4 и 5 м.

Полученные в ходе исследований результаты сравнивались с параметрами существующих сооружений, в частности с параметрами плотин Волгоградского  Цимлянского гидроузлов.

Обе эти плотины находятся на нескальном основании и имеют безвакуумный практический профиль. С обеих сторон водосливной фронт ограничивают стены-устои, поперечный профиль которых по площади близок профилю стен, рассчитываемых в данных исследованиях. Кроме того, данные плотины имеют близкие по значению гидравлические параметры. В результате численных экспериментов  были получены результаты, которые в целом оказались близки к параметрам существующей плотины Волгоградского гидроузла. Ниже приводятся некоторые данные, полученные в результате расчетов.

Плотина Волгоградского гидроузла

Показатели	Параметры Волгоградского гидроузла	Расчетные значения	% отклонение
Удельный расход  , м2/с	43,7	41,85	5,3
Ширина плотины , м	696	737	5,4
Число водосливных отверстий	26	26	0
Глубина понижения водобойной плиты , м	1	0,3	70
Толщина водобойной плиты , м	4,5	4,5	0
Длина водобоя , м	55	63	14
Длина рисбермы , м	124	117	6

Полученные новые графические зависимости и аналитические выражения для удельных экономичных расходов в зависимости от различных гидравлических, геологических и геометрических факторов, позволят проектировщикам на предвариантной стадии проектирования на основании имеющихся исходных данных, без предварительных расчетов однозначно назначать удельные расходы водосливных плотин.