конструктивные параметры самопромывающихся ковшей в
advertisement
УДК 556.535 Ерхов А.А., к.т.н., доцент КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ САМОПРОМЫВАЮЩИХСЯ КОВШЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОДОЗАБОРОВ Самопромывающиеся ковши – современные гидротехнические сооружения водоприёмной части поверхностных водозаборов – очень сложны для расчётов. Без гидравлического моделирования задача правильной оценки параметров ковша не решаема, однако в лаборатории инженерной гидравлики НИИ ВОДГЕО были найдены основные конструкционные особенности. На основе анализа большого фактического материала в статье приводятся данные к расчётам (не только модели). Основные параметры сооружений ковша соответствуют геометрическим размерам – габаритам, зависящим от производительности водозабора. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: НАНОСЫ, ПОТОК, ВОДОПРИЁМНИК, ДЛИНА, ШИРИНА, ВЫСОТА, ОСИ, ГИДРАВЛИКА, ЗЕМСНАРЯД. ВВЕДЕНИЕ Главная проблема водозаборов на водотоках – завал донными наносами – решается, как известно, при помощи специальных гидротехнических сооружений – ковшей, но и сами ковши должны промываться, то есть иметь такой гидравлический режим работы, при котором энергия потока самого водотока используется для отвода наносов в транзитное течение – в русло. Единственный современный тип ковша (дешёвый и эффективный) – самопромывающийся – располагается непосредственно в русле и примыкает к берегу, а строится в основном из бетона (рис. 1). Идея данного типа ковша родилась в стенах НИИ ВОДГЕО, и основные конструктивные характеристики отработаны в гидравлической лаборатории и в натуре под научным руководством А.С. Образовского в 1970-80-х гг. – в 1990-2000-х дорабатывались в лаборатории А.М. Мотинова. Рис. 1. План самопромывающегося ковша. Условия опыта: низкая межень, без водоотбора, суммарный расход струй 5% от водоотбора оголовка, схема 1, струи на дне. Концептуальная модель заключается в том, что вода руслового потока, переливаясь через стенку верхового ограждения, как через затопленный порог, отражается от стенки отражателя вниз и закручивается винтом, и этот энергетически мощный безнаносный (без донных наносов) поток промывает дно ковша, в центре которого и располагается водоприёмник. Самопромывающийся ковш является единым целым с водоприёмником, который в зависимости от производительности водозабора должен иметь входные окна, направленные в разные стороны: от берега и к берегу (рис. 2). Конструктивными характеристиками ковша являются: длина, ширина, высота и углы осей расположения стенок. 1. ДЛИНА КОВША Длина задаётся производительностью водозабора и нормативной подходной скоростью. Расчётная фильтрующая площадь водоприёмника определяется по формуле Fф = Qв vп , где Qв – производительность водозабора (водоприёмника), vп » 0,05 – расчётная подходная скорость к водоприёмным окнам. Откуда общее количество водоприёмных окон n 0 = Fф w ф , где wф – фильтрующая площадь водоприёмного окна, равна w ф = hф × bф , hф – фильтрующая высота водоприёмного окна, bф – фильтрующая ширина водоприёмного окна, а количество водоприёмных 1 – затопленный водоприемник; 2 – ковш заглубления; 3 – стенка верхового ограждения; 4 – отражатель; 5 – наклонное струенаправляющее дно; 6 – низовая струенаправляющая стенка; 7 – низовой струенаправляющий канал; 8 – возможный верховой струенаправляющий канал. S – ось ковша; φ1, φ2, φ3 – основные углы сооружений ковша относительно S. Рис. 2. Схемы самопромывающихся ковшей с вертикальными стенками струеформирующего кармана: а – с трехсторонним водоприёмом, б – с двухсторонним, в – с односторонним. окон с одной стороны секции – n0' = n0 2nc , где nc – количество секций водоприёмника, определяемое подбором. Длина секции определяется как сумма Lc = lф' + lпк + lкорп , где l¢ф – суммарная длина окон с одной стороны секции, равная l¢ф = bф × n¢0, lпк – длина по секции, занимаемая пазовыми конструкциями, равная lпк = 0,2(n0' - 1), lкорп » 4 м – длина части корпуса водоприёмника, включающая обтекатель, торцевую и приёмную камеры водоприёмника. И тогда расчётная длина ковша выразится как Lк = Lвод + lнк + lкк , где Lвод – расчетная длина водоприёмника, равна Lвод = Lс ´ nс , lнк » 5¸10 м (в среднем – 7 м) – длина начала ковша от струеформирующего кармана до водоприёмника, lкк » 2¸5 м (в среднем – 3 м) – длина ковша от водоприёмника до низового струенаправляющего канала (по модельным исследованиям). а) Расчётная фильтрующая площадь водоприёмников в зависимости от Qв и характера водоприёма показана на рисунке 3а. Рис. 3а. Зависимость фильтрующей площади от расхода водозабора при различном водоприёме. Зависимость площади от расхода в независимости от водоприёма линейна: · одностороннего – Fф = 20×Q; · двустороннего – Fф = 20×Q - 2; · трёхстороннего – Fф = 30×Q – 50. б) Зависимость длины водоприёмника от расхода и водоприёма показана на рисунке 3б. Рис. 3б. Зависимость длины водоприёмника от расхода водозабора при различном водоприёме. Аналитически эти зависимости имееют вид: · одностороннего – Lвод = –9×Q2 + 33×Q + 7; · двустороннего – Lвод = 0,5×Q3 – 5×Q2 – 20×Q + 5; · трёхстороннего – Lвод = 4×Q + 19. в) Основная характеристика – длина самопромывающего ковша в зависимости от расхода показана на рисунке 3в. Рис. 3в. Зависимость длины ковша от расхода. Аппроксимации для различного водоприёма запишутся в виде: · односторонний Lк = 14×lnQ + 38; · двусторонний Lк = 30 Q 0,4; · трёхсторонний Lк = 2×Q + 43. 2. ШИРИНА КОВША Ширина ковша принимается не только по данным расчётов энергии потока, формируемого струеформирующим карманом, но и по условиям очистки ковша от наносов землесосными агрегатами. Исходя из условий очистки земснарядом ширина ковшей принимается: · при одностороннем водоприёме b ³ 6 м; · при двустороннем водоприёме при откосном исполнении ковша: b = bбп + bвод + bрп , где bбп ³ 3 м – ширина береговой полосы между водоприёмником и началом берегового откоса ковша, bвод – ширина затопленного водоприёмника, bвод » 6 м – для водоприёмников с вихревыми трубчатыми камерами, bвод » 3…4 м – для водоприёмников с открытой камерой и дополнительными сопротивлениями, bрп ³ 6 м – ширина русловой полосы между водоприёмником и началом руслового откоса ковша. Ориентировочная величина b » 12¸15 м; · при трёхстороннем водоприёме при береговом затопленном водоприёмнике с вертикальными стенками: b = bб + bвод + bрп , где bб ³ 6 м – ширина полосы дна ковша между береговым водоприёмником и выносным; bвод » 3…6 м, bрп ³ 6 м. Ориентировочная величина b » 15…20 м. Самопромывающийся ковш изменяет не только бытовой режим, но и структуру руслового потока, причём последнее больше, чем ковш глубоковрезанный, поскольку располагается на вогнутом берегу в русле, где течение промывное, то есть наиболее интенсивное (рис. 4). Рис. 4. Влияние самопромывающегося ковша на поверхностную структуру потока. 3. ВЫСОТА КОВША ДЛЯ РАСЧЁТА ВОДОВОРОТНЫХ ТЕЧЕНИЙ По результатам исследований, проведенных в НИИ ВОДГЕО, отметки верха отражателя и верхового ограждения должны назначаться с учётом местных особенностей и принимаемого способа шугозащиты. Если требуется, чтобы шуговые ковры обходили верховые ограждения транзитом, то отметка верха его назначается более высокой, однако, не выше наибольшего шугохода обеспеченностью 25 % Ñ бс = Ñ ш.25 . Если будет признано возможным осуществлять транзит шуговых ковров и над водоприёмником, то отметка верховой ограждающей стенки назначается меньшей, однако, не ниже той, при которой толщина слоя воды до верха водоприёмника составит не меньше 1,5 м. Глубина водоворотных течений равна hвт = hтс + hод + hф , где hтс – толщина слоя воды до верха водоприёмника, hод – высота от дна низа водоприемного окна, hф – высота водоприёмного окна. Если принять hтс ³ 1,5 м и hод ³ 0,5 м, расчетная минимальная глубина водоворотных течений при заданной высоте водоприёмного окна составит при hф = 1,0 м – hкг = 3,0 м, при hф = 1,5 м – hкг = 3,5 м, при hф = 2,0 м – hкг = 4,0 м. Высота главных элементов устанавливается по данным гидрологии: · гребень верховой дамбы должен быть выше уровня межени, но ниже уровня паводка и половодья; высота верхней дамбы принимается таковой по условиям шугозащиты, а угол отклонения от направления течения – по условиям наносозащиты; · гребень низовой дамбы должен быть выше уровней межени и паводка, но ниже уровня половодья. Вообще состав сооружений определяется двумя критериями: 1. Природными условиями. 2. Величиной водоотбора (рис. 5). Рис. 5. К расчёту водоворота в самопромывающемся ковше. 4. РАСПОЛОЖЕНИЕ ОСЕЙ СТЕНОК КОВША В соответствии с разработанными НИИ ВОДГЕО рекомендациями оси стенок располагаются по следующей схеме: · продольная ось S (рис. 2) системы самопромывающегося ковша выбирается параллельной как направлению набегающего потока, так и геометрической оси местного углубления русла у водоприёмника; · при двухстороннем водоотборе продольная ось S совмещается с внешней плоскостью водоприёмника; · разбивочный полюс O на продольной оси определяется на пересечении с ней перпендикуляра, опущенного из верховой точки лобовой части водоприёмника; · из полюса O в сторону берега задается линия расположения стенки верхового ограждения так, чтобы угол между ней и продольной осью был j ~ 35°; · от полюса O по продольной оси, навстречу набегающему потоку, откладывается расстояние S = n × b, где n – множитель (коэффициент), определяемый подбором по формуле (Ñ от - Ñ вс ) hк = n ; b – ширина по дну ковша углубления (может, в том числе, приниматься по условиям работы земснаряда); найденная точка является изломом внутренней грани стенки верхового ограждения; из этой точки задаются две линии в сторону берега под углом к продольной оси j1 = 70°, определяющей положение верхового ограждения; в сторону русла под углом j2 = 35°, определяющей положение верхового звена ограждения; · точка излома отражающей грани отражателя в схеме с двухсторонним отбором отстоит от основного полюса на расстоянии l = 0,9 × b + 4,5 м; · ширина низового звена отражателя принимается равной ~ 10 м, а угол поворота j3 = 15°; · ширина струеформирующего кармана равна длине перпендикуляра, опущенного из точки излома стенки верхового ограждения на линию отражателя bк = n×b×sin j = 0,6 (n×b). Исходя из особенностей гидрологии с резкой кривой расходов и уровней по сезонам года отметка верха отражателя назначается выше отметки гребня верховой стенки (Ñот – Ñвс) = 1,25…3,0 м. Анализ работы самопромывающихся ковшей всех типов показывает, что элементы ковша, расположенные вертикально, создают лучший эффект промыва, чем расположенные откосно. ВЫВОД Все задачи инженерной гидравлики очень интересны, при этом имеют громадное практическое значение, – потому и существуют (но не потому, что интересны). И наиболее интересна и важна проблема гидравлики ковшей: водоснабжение в прямом и переносном смысле начинается с водоприёмной части водозабора, где русловая гидравлика и гидравлика сооружений представляют одно целое, и тесно переплетены с гидрологией и гидрофизикой, динамикой русловых процессов и механикой грунтов, ихтиологией и микробиологией – множество научных дисциплин здесь имеют приложение, и всё же главная – гидравлика. Теоретически очень сложно, фактически нельзя описать гидравлику непростого гидротехнического сооружения в непростых гидравликогидрологических условиях водотока, невозможно правильно до мелочей (низовая струенаправляющая стенка, низовой струенаправляющий канал, возможный верховой струенаправляющий канал) запроектировать самопромывающий ковш, поэтому гидравлическое моделирование в таких условиях – единственный выход и подход. Лабораторное моделирование русловых деформаций (процессов) при наличии в русле сооружения – задача искусная, и по завершении – выдача выверенных, строго обоснованных научных рекомендаций по проектированию – это сродни интуитивному озарению в искусстве, – найти положение ковша на водотоке и параметры его конструктивных элементов – особого рода искусство – тонкое и умное; и сам самопромывающийся ковш – настолько удачное инженерное сооружение, что к нему применимы только превосходные эпитеты: грандиозный и гениальный, – он позволяет практически не тратясь на эксплуатацию эффективно принимать воду из водотока и направлять её к насосной станции первого подъёма. Таким образом, исследовательская работа для проектирования самопромывающегося ковша требует инженерного чутья – опыта и знаний учёных-практиков, которых, однако, в стране не осталось: выродились и прекратили существование научные школы – некому стало передавать опыт, нет условий для тех, кто может его перенимать. Тем не менее, этот опыт зафиксирован в отдельных (раритетных) текстах… В них и установлены параметры самопромывающихся ковшей, которые, однако, должны быть правильно и точно рассчитаны. Эти параметры – габариты ковша. Помимо наносов самопромывающийся ковш должен решать и проблему шуги и ледохода. Эта задача в значительной части решается верховым ограждением (его высотой). Дальнейшие исследования по водоприёмной части водозаборов возможны только при воссоздании системы научных организаций, возрождении научных школ, поскольку это – работа коллективная, требующая гидравлических лабораторий – соответствующих помещений и оборудования.
