CONTINUOUS WAVE FLOW COURSE ANALYSIS IN THE OPEN CHANNELS WITH LOCAL SIDE BARRIERS

Abstract

The article presents the results of theoretical and experimental research which allows to give engineeringbased recommendations about determination of wave characteristics in interaction with local side narrowing of the riverbed and improve methods of calculation and designing of hydraulic and engineering objects, water supply and drainage system.

Full Text

В гидротехническом строительстве часто встречаются сооружения, которые становятся причиной стеснения русла: мостовые переходы, берегозащитные дамбы, перемычки в процессе строительства плотины и т.п. [1, 5]. Эти сооружения подвергаются взаимодействию с волной прорыва и имеют ряд особенностей по сравнению с другими гидротехническими сооружениями, существенно усложняющими расчеты. Стеснение речного потока сооружениями представляет местное сопротивление. Оно вызывает увеличение отметок свободной поверхности - подпор перед сооружением, который имеет важное практическое значение для установления отметок насыпей каналов, струенаправляющих дамб, траверсов, проектирования укреплений этих сооружений, прогнозирования возможного затопления земель и прибрежных населенных пунктов. Потоки, пропускаемые через отверстия мостов, расположенных в нижних бьефах плотин, являются неустановившимися, т.е. волнами наполне ния и отлива. При разрушении водонапорного сооружения отверстие моста будет работать на пропуск резко нестационарного потока - волны прорыва. Сжатие потока через пропускаемое отверстие моста и последующее его расширение является сложным процессом, и для того чтобы представить физику процесса и выявить основные его закономерности, принимаются следующие упрощения и допущения: русло реки и канала принимается прямолинейным с постоянной шириной; рельеф дна русла принимается плоским; после взаимодействия волны, когда формируется отраженная волна, значение расхода считают неизменным во времени, т.е. процесс считается квазиустановившимся. Экспериментальная часть работы была выполнена в лаборатории газогидравлической аналогии кафедры гидравлики (МИСИ-МГСУ) на гидравлическом лотке, имеющем длину 90 м (рис. 1)1,2,3. В процессе эксперимента использовались волнопродукторы, с помощью которых были получены прерывные и гладкие волны. Прерывные волны были получены путем быстрого открытия затвора (рис. 2). Скорость подъема затвора в диапазонах 0,5÷8,0 м/с не оказывали заметного влияния на форму генерируемой волны. В наших опытах скорости подъема затвора изменились в пределах от 1 до 2,5 м/с. В процессе работы с гидрозатвором были использованы две разработанные нами физические схемы, которые позволяли регистрировать время В результате обработки полученных экспериментальных данных нами выявлены закономерности распространения скоростей подходящей, отраженной и прошедшей волн, а также характерные глубины потока. С ростом интенсивности исходной волны происходит увеличение скорости фронта исходной и прошедшей волн, и чем больше сужается створ, тем меньше скорость фронта прошедшей волны (рис. 5). С ростом интенсивности исходной волны произошло увеличение глубин за фронтом прошедшей волны. Как видно из графика (рис.6), полученные нами экспериментальные кривые удовлетворительно согласуются с результатами аналитических решений во всем диапазоне изменения интенсивности подходящей волны. Незначительное _завышение аналитических результатов можно объяснить тем, что при выполнении аналитических расчетов нами был сделан ряд допущений, в том числе не учитывались потери энергии на участке сужения, и, кроме того, в этих уравнениях не учитываются потери энергии, а с другой стороны - в уравнениях присутствует коэффициент расхода (m), для которого в настоящее время нет аналитического решения. Таким образом, экспериментально полученная физическая картина взаимодействия длины волны с местным боковым сужением русла (случай водослива с широким порогом при нулевой высоте порога) позволяла произвести теоретический и экспериментальный анализ процесса взаимодействия движущегося волнового потока с указанной преградой, при- менить стационарные законы сохранения массы и энергии к характерному сечению потока и тем самым определить глубины и скорости в характерных сечениях волны при известных значениях глубины воды в канале (d0), величины сужения и коэффициентов m и . Проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволяют давать инженерно обоснованные рекомендации по определению параметров волн при взаимодействии с местным боковым стеснением русла и совершенствовать методику проектирования гидротехнических объектов.