УДК 627.8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В ВОДОБОЙНОМ КОЛОДЦЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЛИНЫ БОКОВОГО ВЫРЕЗА
, ,
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
При всём многообразии конструкций водобойных колодцев незыблемым остается режим движения воды в осевом направлении (прямоосном) на входе и выходе. Такая конструкция требует выполнения прямолинейного отводящего канала, являющегося продолжением колодца [1,2].
При проектировании гидротехнических сооружений в горных и предгорных зонах часто возникают сложности с выполнением отводящего канала в связи со стеснённостью строительной площадки. В этих условиях приходится выполнять отводящие каналы в глубоких выемках в скальных породах. При этом их стоимость становится неоправданно высокой.
Для повышения экономичности энергогасящего устройства целесообразно выпуск воды из водобойного колодца осуществлять через прорезь в одной из боковых стенок. При этом противоположная входу в колодец стенка выполняется глухой, а выпуск воды осуществляется из зоны возвратного течения вальца гидравлического прыжка.
Работа водобойного колодца предлагаемой конструкции исследовалась на модели водобойного колодца, расширяющегося в плане, применительно к условиям гидроузла Джедра (Алжирская Народная Республика), в составе которого имеется шахтный водосброс с максимальным расчетным расходом до 700 м3/с при расчетном напоре 60 м.
Вода к водобойному колодцу, расширяющемуся в плане до ширины 30 м на выходе (рис.1), подводилась безнапорным туннелем высотой 7 м и шириной 6 м.
Рис. 1. План и разрез по оси водобойного колодца с боковым выпуском воды
Для решения поставленных задач в лаборатории кафедры КИВР МГУП была выполнена модель в масштабе 1:60 натуральной величины.
На первом этапе исследовалась конструкция с прямоосным отводом потока, для которой были рассмотрены режимы с расходами 300, 500 и 700 м3/с для последующего сравнения.
Для выпуска воды из водобойного колодца в нижний бьеф в его правой боковой стенке был выполнен вырез, примыкающий к торцевой стенке водобойного колодца (рис.1,2). При такой конструкции водобойного колодца его боковая стенка с прорезью работает как боковой водослив. С учетом конструкции отводящего канала происходило движение воды как на водосливе с широким порогом [3], удельный расход которого определяется по следующей зависимости
, (1)
где m – коэффициент расхода водослива; Н – напор на водосливе.
В свою очередь, с учетом конструкции и параметров потока в колодце напор Н определяется как
, (2)
где h’ – первая сопряженная глубина гидравлического прыжка; p – высота порога водобойного колодца; y(x) – ордината свободной поверхности прыжка;
, (3)
где l – длина водослива.
Рис. 2. Расчетная схема для определения функции H=f(x) для водобойного колодца
с боковым выпуском воды
В процессе исследования рассматривалась работа колодца с боковым выпуском воды и традиционного колодца при указанных расходах.
На основании замеров были получены кривые свободной поверхности вдоль правого и левого бортов колодца и по оси колодца. На рис. 3,4,5 представлены кривые свободной поверхности при указанных выше расходах, высоте порога p = 9,5 м и длине (l) водослива 21, 27, 33 м.
Рис. 3. Изменение уровней свободной поверхности при Q = 700 м3/с воды
Рис. 4. Изменение уровней свободной поверхности при Q = 500 м3/с воды
Рис. 5. Изменение уровней свободной поверхности при Q = 300 м3/с воды
Анализируя рис. 3 (пропуск расхода 700 м3/с), можно сделать следующие выводы.
1. Форма свободной поверхности прыжка в рассматриваемом варианте водобойного колодца с боковым вырезом аналогична свободной поверхности в традиционном колодце. Отличие заключается в образовании подъема уровня воды у торцевой стенки. Это объясняется ударом донной струи о торцевую стену и полным торможением скорости, энергия которой преобразуется в увеличение глубины потока.
2. Глубина потока в водобойном колодце с вырезом в боковой стенке зависит от длины выреза. Это объясняется тем, что глубина в водобойном колодце, с одной стороны, определяется величиной второй сопряженной глубины, а с другой стороны, напором на вырезе, который создает необходимый уровень, обеспечивающий выпуск расхода. В рассмотренном случае глубина потока при l = 21 и 27 м больше, чем в традиционном водобойном колодце. При l = 33 м глубина потока в рассматриваемой конструкции в среднем на 1,5 м меньше глубины в классическом водобойном колодце.
3. В поперечных сечениях колодца практически отсутствует поперечный перекос потока в пределах глухой части боковой стены с вырезом. Разница уровней находится в пределах точности измерений 0.3…0,5 м для натуры в зоне транзитного потока. При l = 33 м в поперечном сечении перекос достигает 1,5 м, так как поток начинает выходить из водобойного колодца уже в средней части прыжка.
4. Установлено, что в пределах выреза в поперечном сечении колодца глубины уменьшаются от левого борта к правому. У торцевой стенки колодца имеется бурун с горизонтальной осью и повышенным уровнем воды у нее. Максимальный подъем уровня воды у торцевой стены по сравнению с уровнем в традиционном колодце составляет от 1,5 до 2 м.
5. Наличие поперечного уклона потока в зоне выреза объясняется появлением кривой спада в сторону выпуска воды. Кривая спада формирует поперечную составляющую скорости потока.
При пропуске расходов 500 и 300 м3/с (см. рис. 4,5) соотношение геометрических параметров потока аналогично параметрам в колодце при пропуске 700 м3/с. При этом следует отметить, что при указанных размерах вырезов свободные поверхности потока становятся более пологими и глубины потока уменьшается.
Выводы
1. Исследования показали работоспособность водобойного колодца с вырезом в боковой стенке.
2. Параметры потока в колодце определяются параметрами выреза.
3. Имеется возможность приспособить конструкцию водобойного колодца к топографическим условиям местности, а также существенно сократить затраты на сооружение водобойного колодца за счет резкого сокращения затрат на отводящий канал.
Библиографический список
1. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Справочник по гидравлическим расчетам. /Под. ред. М.: Энергия, 1972.
3. , Федоров по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, 1973.
