ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПРЕРЫВНОГО ВОЛНОВОГО ПОТОКА В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ С МЕСТНЫМИ БОКОВЫМИ ПРЕГРАДАМИ

Аннотация

В статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие давать инженерно обоснованные рекомендации по определению параметров волн при взаимодействии с местным боковым стеснением русла и совершенствовать методику расчета и проектирования объектов гидротехники, водоснабжения и водоотведения.

Полный текст

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.