Совершенствование конструкции проточной части донных водовыпусков с гидродинамической стабилизацией расхода воды

В мире насчитывается порядка 250 тысяч водохранилищных гидроузлов, из которых более 30 тыс. расположено в Российской Федерации. Это сложные природно-технические системы, основное назначение которых – комплексная охрана и использование водных ресурсов. Главным природным компонентом этих систем является водный объект, а техногенными компонентами – напорные гидротехнические сооружения, проектируемые из условий обеспечения экологической и технической безопасности. В зависимости от последствий возможных гидродинамических аварий выделяют 4 класса капитальности гидротехнических сооружений. На долю промышленных и энергетических объектов в нашей стране приходится всего 24% гидроузлов. Как правило, это сооружения I-III классов капитальности, отнесенные к федеральной собственности, собственности субъектов федерации либо крупных энергетических и промышленных компаний. Их эксплуатация осуществляется в большей степени в соответствии с требованиями безопасности. К IV классу капитальности относят гидротехнические сооружения, при аварии которых чрезвычайная ситуация распространяется в пределах территории одного муниципального образования, а размер возможного материального ущерба менее одного миллиона минимального размера оплаты труда [1]. Гидроузлы малых и средних водохранилищ, не используемые промышленным и энергетическим комплексами, в настоящее время составляют подавляющее большинство гидротехнических сооружений на территории России. Они используются в целях рекреации, входят в состав прудовых хозяйств и мелиоративных систем.

Основными водопроводящими сооружениями малых гидроузлов являются водосброс, обеспечивающий проектный режим эксплуатации водохранилища в период пропуска паводка, и донный водовы-пуск, основное назначение которого – подача расхода полезных попусков в речное русло и сработка во-доранилища. Экологическая и техническая безопасность гидроузла во многом зависит от состояния водопропускных сооружений, так как включает обеспечение сохранности животного и растительного мира в зоне влияния водохранилища, гарантированную подачу санитарно-необходимого и сбросного расходов воды, обеспечение гидрологических режимов в бьефах и работу всех элементов и сооружений с допустимыми нагрузками.

По данным Министерства природных ресурсов, 40% сооружений различных водохозяйственных объектов требуют срочного капитального ремонта, большинство сооружений IV класса не имеют службы эксплуатации в течение последних 15 лет, проектная документация по ним утрачена. Возраст таких гидроузлов составляет более 30 лет, при отсутствии должных ремонтных мероприятий их сооружения с течением времени становятся повышенно опасными [2]. По данным обследования гидротехнических сооружений водохранилищ Московской области, на гидроузлах, имеющих в своем составе водовыпускные сооружения, службу эксплуатации имели только 24% объектов, при этом неудовлетворительный и опасный уровень безопасности водовыпусков был зафиксирован на 56% объектов [3]. На большинстве водовыпусков не работали задвижки, необходимые для регулирования подачи расхода; колодцы, в которых они размещались, оказались затопленными; в нижнем бьефе наблюдались зоны размыва русла вблизи выходных участков сооружений. Наибольшее распространение в гидроузлах с глухими плотинами имели трубчатые водовыпускные сооружения, применяемые при напорах до 10 м и расходах воды 0.5.. ,3м3/с и работающие в напорном режиме течения.

Строительные нормы и правила требуют проведения реконструкции постоянных гидротехнических сооружений в случаях роста риска аварии из-за их старения, необходимости увеличения водопропускной способности и для улучшения экологических условий зоны влияния гидроузла. При реконструкции следует предусматривать максимальное использование существующих элементов сооружений, находящихся в нормальном эксплуатационном состоянии [1]. В настоящее время ведется выполнение работ по ремонту ряда низконапорных гидроузлов, состояние которых наиболее опасно. Использование сложной автоматики на сооружениях IV класса капитальности считается нецелесообразным, тем не менее существует возможность автоматизировать подачу санитарного расхода ниже створа плотины при любом положении уровня воды в водохранилище, причем для этого не потребуется ни датчиков, ни преобразователей, ни постоянного присутствия эксплуатационного персонала: необходима лишь частичная модернизация проточной части сооружения (рис.1).

Принцип работы гидродинамических водовыпусков достаточно прост: при минимальном уровне воды в водохранилище - уровне мертвого объема (УМО) через сооружение проходит расход Q ₀ , поступающий через входной оголовок 2 в напорный водовод 3. При росте верхнего бьефа до нормального подпорного уровня (НПУ) через водосливную грань 10 в управляющую башню 4 поступает расход управления q , вызывающий дополнительные гидравлические потери и снижение транзитного расхода до величины Q . В процессе стабилизации камера слияния работает как вытяжной тройник, а в нижний бьеф гидроузла подается расход Q _z , равный сумме управляющего и транзитного расходов.

Рис.1. Конструктивная схема гидродинамического стабилизатора расхода: 1 - плотина; 2 - входной оголовок водовыпуска; 3 - транзитный водовод; 4 - управляющая башня; 5 - боковая стенка водослива; 6 - диффузор;

7 - диафрагмы; 8 - обсыпка мятой глиной; 9 - крепление выходного участка; 10 - водосливная грань

Выходной участок в виде диффузора 5 необходим для снижения пьезометрической линии водовыпуска и возможности подачи управляющего расхода из любого бьефа самотеком . Пропускная способность таких конструкций в среднем в 1,1 ^1,9 раза выше пропускной способности водовыпусков постоянного сечения, что обусловлено снижением выходных потерь или энергии, выбрасываемой из выходного сечения и далее рассеивающейся в объеме воды нижнего бьефа. Условия сопряжения бьефов за стабилизаторами в отличие от водовыпусков постоянного сечения позволяют избежать устройства гасителей энергии и сократить длину крепления 9, так как снижаются скорости потока на выходе из сооружения и уменьшается вероятность размывов. Если реконструкция водовыпуска не предусматривает увеличения его пропускной способности, устройство стабилизатора может существенно уменьшить размеры сжатого сечения трубопровода, если увеличение расхода предусмотрено – водовыпуски-стабилизаторы позволяют избежать увеличения диаметра труб по всей длине сооружения. Основная особенность диффузорных выходных участков – применение форм, наиболее простых в конструктивном исполнении и не требующих значительного заглубления подземной части сооружения.

Динамику коэффициента расхода водовыпуска в процессе стабилизации удобно оценивать относительным коэффициентом расхода:

Ц=^0, Ц

где Ц о - коэффициент расхода водовыпуска без стабилизации (уровень воды в водохранилище равен уровню мертвого объема); ц - коэффициент расхода транзитного потока, вычисленный по сжатому сечению (уровень воды в водохранилище выше УМО).

Совместное решение двух основных уравнений гидромеханики – уравнения Бернулли и баланса энергии - позволило вывести теоретическую зависимость для определения ц при стабилизации [4]:

Ц =              2    1

1 + L '(1 + mУ + m ^{[ (} 2 + mКд ^{+ ( 1 +} m H ^{a ]}

\                   Zmс + Zd

где Z _{n с} — коэффициент сопротивления транзитного потока на проход в камере слияния, принимается по

q зависимостям для вытяжных тройников; m - относительный регулирующий расход, m = —, здесь q - расход управления, Q - транзитный расход; Zd - коэффициент сопротивления диффузора при работе в бьеф; Да = ас т - ас у - разница между коэффициентами Кориолиса транзитного ас m и управляющего потока ас у в сжатом сечении; Zm с - коэффициент сопротивления транзитного водовода до камеры слияния

По принципу действия разработанные водовыпуски относятся к группе гидроавтоматов, производящих стабилизацию изменением коэффициента расхода в функции Н , где Н – перепад между бьефами Они образуют новую классификационную группу, соответствующую новому способу регулирования – «Использование дополнительных гидравлических потерь при слиянии напорного транзитного и управляющего потоков», причем мощность транзитного потока может в несколько раз превышать мощность управляющего Конструкции гидродинамических стабилизаторов расхода в свою очередь формируют новую группу технических средств, реализующих указанный способ регулирования – «Конструкции с диффузорным низовым участком»

Отличительной особенностью гидродинамических стабилизаторов является принципиально новый способ взаимодействия управляющего устройства и транзитного потока Роль устройства управления берет на себя расход управления, целенаправленно взаимодействующий с напорным потоком и создающий гидравлические сопротивления, изменяющиеся в зависимости от величины сливающихся расходов и конструкции камеры слияния

В лаборатории гидравлики Московского государственного университета природообустройства были выполнены экспериментальные исследования различных конструкций водовыпусков-стабилизаторов При выборе варианта проточной части в первую очередь предпочтение отдавалось симметричным диффузорам прямоугольного сечения, имеющим расширение только в горизонтальной плоскости, обеспечивающим безотрывное течения потока и низкое значение коэффициента гидравлического сопротивления При реконструкции существующих сооружений подобными бетонными диффузорами могут быть дооборудованы стальные трубы донных водовыпусков Основным критерием подобия при моделировании являлся критерий Рейнольдса, разность материалов транзитного водовода и выходного участка учитывалась различием гидравлически эквивалентной шероховатости материалов модели К _э , определяемой в отдельных сериях экспериментов согласно ГОСТ 8 563 1-97 по формуле Коулбрука [5]:

Кэ =3,71⋅10-21λ- 9,34 , d Re λ где λ– коэффициент гидравлического трения, вычисленный по перепаду пьезометрического давления для длинного прямого водовода из выбранного материала.

При значениях гидравлической эквивалентной шероховатости сварных стальных труб водовыпус-ков в пределах 0,1 ÷ 0,3 мм и бетонных поверхностей, выполненных в стальной или деревянной опалубке с затиркой поверхности, до 0,6 мм, значение К _э модельного транзитного водовода было в 5 раз ниже, чем диффузорного участка. Диапазон чисел Рейнольдса в экспериментах находился в пределах 1,2 ⋅ 10 ⁵ ..1,8 ⋅ 10 ⁵ , что обеспечивало автомодельную область местных гидравлических сопротивлений ζ .

Сопоставление экспериментальных и теоретических (вычисленных по ф.2) значений относительного коэффициента расхода водовыпуска µ ′ при стабилизации для одной из конструкций приведено на рисунке 2. Водовыпуск имел плоский симметричный диффузор с углом расширения в горизонтальной плоскости 8⁰ и степенью расширения 4, площадь подачи управляющего потока составляла 0.6 от площади транзитного водовода.

теоретические значения

Рис.2. Относительный коэффициент расхода водовыпуска-стабилизатора

Точность стабилизации – это отклонение суммарного расхода донного водовыпуска от начального или нарушение равенства QΣ   = 1 . Рост напора на сооружение от  Н 0 =↓ УМО- ↓ УНБ до

Q ₀

∆ Н Н - Н

Н =↓ НПУ - ↓ УНБ может быть выражен в относительных величинах =       ⁰ . Пример изме-

Н 0     Н 0

нения точности стабилизации с ростом напора на сооружение приведен на рисунке 3, здесь отклонения в подаче расхода не превосходят 5%. Требуемая в каждом конкретном случае точность стабилизации обеспечивается подбором длины водосливного фронта в управляющей башне, т.е. применением водослива в тонкой стенке, занимающего только часть оголовка башни, либо кольцевого водослива.

Экспериментальные исследования гидродинамических стабилизаторов с различной конструкцией проточной части подтвердили, что при подаче расхода управления со стороны верхнего бьефа относительный управляющий расход порядка 0,6 обеспечит постоянство подачи водовыпуска при росте напора на 80 ÷ 130% (то есть более чем в 2 раза). Весьма небольшое количество существующих в настоящее время технических устройств, использующих другие способы стабилизации расхода гидротехнических сооружений, обладает такими возможностями, что еще раз подтверждает необходимость применения гидродинамической стабилизации для автоматизации водовыпускных сооружений.

Рис.3. Точность стабилизации конструкции с плоским диффузором