Методика определения характеристик волнения в нижнем бьефе гидроузлов при работе водосбросных сооружений

• Автор: Петров, Олег Александрович
• Шифр специальности: 05.23.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 156 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Г лава 1. Обзор литературы по волнообразованию в нижнем бьефе гидроузлов при работе водосбросных сооружений
1.1. Примеры волнообразования в нижнем бьефе гидроузлов и последствия волнового воздействия в натурных условиях
1.1.1. Схема сопряжения бьефов отбросом потока от сооружения
1.1.2. Схема гашение энергии в водобойном колодце или на креплении
1.2. Примеры лабораторных исследований волнообразования в нижнем бьефе гидроузлов
1.3. Анализ имеющихся предложений по оценке высоты волн
1.4. Выводы
Глава 2. Исследования параметров волн в нижнем бьефе гидроузлов
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований
2.1.1. Сопоставление результатов измерений разными методами
2.2. Бурейский гидроузел
2.2.1. Основные параметры водосбросных сооружений Бурейского гидроузла
2.2.2. Исследования параметров волн в нижнем бьефе гидроузла
2.3. Зейский гидроузел
2.4. Гоцатлинский гидроузел
2.5. Гидроузел ЛайЧау
2.5.1. Основные параметры водосбросных сооружений
2.5.2. Результаты исследований параметров волн при деформации русла нижнего бьефа
2.5.3. Результаты исследований параметров волн с ямой гашения энергии
2.6. Богучанский гидроузел
2.7. Нижне-Бурейский гидроузел
2.8. Нижне-Зейский гидроузел
2.9. Камский гидроузел
2.10. Сопоставления результатов натурных и лабораторных измерений
Глава 3. Методика определения параметров волн в нижнем бьефе гидроузлов

3.1. Вводные замечания
3.2. Общие положения и область применения
3.3. Определение параметров волн при отбросе потока от сооружения
3.3.1. Вводные замечания
3.3.2. Местоположение створа возникновения исходной волны
3.3.3. Определение исходной высоты волны
3.4. Определение параметров волн при гашении энергии в водобойном колодце или на креплении
3.4.1. Вводные замечания
3.4.2. Местоположение створа возникновения исходной волны
3.4.3. Определение исходной высоты волны
3.5. Закономерность снижение высоты исходной волны от расстояния
3.5.1. Вводные замечания
3.5.2. Закономерность снижения исходной волны
3.6. Определение длины волны
Глава 4. Численное моделирование течений при работе водосбросных сооружений Бурейского гидроузла
4.1. Вводные замечания
4.2. Математическая модель
4.3. Результаты расчетов и сопоставления их с экспериментальными данными
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А. Характерные примеры кривых обеспеченностей высот волн при пропуске через Бурейский гидроузел различных расходов
Приложение Б. Характерные примеры обработанных записей волн в нижнем бьефе Бурейского гидроузла
Приложение В. Сводные таблицы граничных условий при проведении исследований характеристик волнения на моделях гидроузлов

ВВЕДЕНИЕ
Одной из задач гидротехнического строительства и эксплуатации гидроузлов является обеспечение надежной и безопасной работы сооружений в нижнем бьефе, в частности устойчивости откосов берегов и их креплений. Основные воздействия на откосы берегов в нижнем бьефе, оказывают волны и течения. Их раздельное или совместное воздействие может привести к повреждению сооружений, подмыву неукрепленных берегов или разрушению их креплений. Вопрос о защите берегов за гидроузлами приобретает особую значимость, если на них располагаются автодороги, площадки ОРУ, промзоны, опоры ЛЭП.
Анализ литературы показал, что лабораторные исследования, включающие измерения параметров волн в русле, выполнялись для большинства случаев при обосновании проектов защиты берегов, но небольшое количество опубликованных материалов не позволяло выполнить их обобщение и предложить расчетные зависимости, которые могли быть использованы еще на стадии проектирования.
До выполнения этой работы имелись лишь отдельные измерения высоты волн, их ориентировочные оценки, предложения по определению высоты волн на ближайшем к концу гидравлического прыжка участке для плоских условий, а обобщенные рекомендации и методики отсутствовали. Отсутствовали и данные по определению закономерностей снижения высоты волн с расстоянием от места их образования.
Диссертационная работа ориентирована на изучение перемещающихся волн (их высоты и длины), оказывающих наибольшее воздействие на откосы берегов, их крепления и сооружения в нижнем бьефе.
Иногда необходимо знание и скоростей течения, как в русле нижнего бьефа, так и непосредственно у защитного устройства, но эта сложная задача должна явиться предметом других исследований, часть из которых в настоящее время выполнены (см. например, [1-9] и др.). В ряде случаев измерения скоростей выполнялись на моделях и их результаты приведены в работе, но методика их определения здесь не дана. Дифракция и рефракция волн специально не изучались, хотя на моделях отмечено значительное снижение их высоты при обтекании волновым фронтом раздельных стен или устоев.
Целью работы являлось разработка методики определения характеристик волнения (высота, длина) в нижнем бьефе гидроузлов при работе водосбросных сооружений, как для варианта сопряжения бьефов отбросом потока от сооружения, так и при гашении энергии в водобойном колодце или на креплении.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи

нижнем бьефе Куйбышевского гидроузла на разных расстояниях от водосливной плотины, выполненные под руководством А.Д.Халтурина и И.М.Чекунаева. Отмечается, что затухание волн в нижнем бьефе происходит значительно быстрее, чем в условиях моря или водохранилищ. В работе A.A. Каверина [88] рассматриваются экспериментальные исследования поверхностного режима течения при малых высотах уступа. Здесь приводятся результаты исследований скоростных характеристик потока, нагрузок на сооружения и конструкции, а так же приводятся результаты измерений свободной поверхности потока в пределах гидравлического прыжка для плоских условий.
В [8] имеются данные по определению расчетной высоты волны, возникающей непосредственно за гидравлическим прыжком для плоских условий:

h J (1.1)
ар=а‘Г~1 ь ’
и. 1 + к

где а: - амплитуда волновых колебаний в области первой сопряженной глубины:
а. =0,06^-Ь„ (1.2)

где УПОв и V] - соответственно поверхностная и средняя скорости течения в сжатом сечении, практически Упов ~ Уь Ь[ и Ьг - сопряженные глубины.
В [33] дается ссылка на статью Н.И. Блиадзе «Исследование волновых колебаний потока за гидравлическим прыжков», который очевидно является одним из авторов зависимости (1.1). Границы применимости этой зависимости в работе [33] не приведены.
Для ряда объектов расчетные значения по (1.1) и по рекомендациям [86] оказались близкими к измеренным на моделях (см. таблицу 1.2). Представленные в таблице 1.2 результаты расчетов высоты волн можно применять как оценочные для условий плоской задачи и гашения энергии в водобойном колодце. В [8] и [86] не рассматриваются случаи по определению высоты волн при отбросе потока или в условиях пространственной задачи.
Таблица 1.2 - Сопоставление расчетных оценок по [8] и [86] с опытными материалами
Г идроузел q, м2/с hb м Й2, М Высота волн, м
По [8] По [86] Опытные данные
Усть-Среднеканский 108 3,05 23 4,5 5,8-8 5,
Саяно-Шушенский 128 2,54 35 8,6 8,8-12,2
66 4,2 12 1,8 3-4,2 1,
Нижне-Зейский 88 3,0 21,5 4,6 5,4-7,5 2,
88 3,2 20,8 4,0 5,2-7,3 3,