Расчет эксплуатационных параметров мобильного устройства для промыва русел
Д.А. Чернова
В последние десятилетия проблема наносов в руслах водотоков приобрела необычайно острый характер из-за кардинального изменения водохозяйственной политики страны. Это нарушило режимы работы водохранилищ и гидротехнических сооружений (ГТС) и привело к трудностям пропуска вод половодья и паводков. В результате ухудшилась общая экологическая обстановка в бассейнах рек [1], увеличился риск возникновения чрезвычайных ситуаций на реках, снизилась продуктивность водных объектов и качество водных ресурсов, затруднен процесс подачи воды на орошаемые площади.
Решение проблемы накопления и очистки наносов в водоемах и руслах водотоков требует комплексного подхода, одной из частей которого является гидротехническая, включающая разработку специальных устройств, а также методов и способов их применения и эксплуатации.
Анализ современных литературных и патентных источников свидетельствует о том, что основной тенденцией научно-конструкторских разработок промыва русел водотоков на сегодняшний день является использования известных гидравлических приемов и принципов, обеспечивающих размыв и перемещение донных отложений по руслу. Такой эффект достигается соответствующими конструктивными мероприятиями, которые создают в придонной части русла требуемые размывающие скорости.
На основе этих данных было разработано мобильное устройство из тканевых материалов для промыва русел, способное перемещаться под действием гидравлических сил [2].
Устройство состоит из напорного и горизонтального полотнищ, между которыми в придонной части выполнена водовыпускная щель, оснащенная элементами управления, позволяющими изменять ее ширину посредством подвижного полотнища, а на гребне напорного полотнища установлен поплавок. Такая конструкция [2], способная перемещаться по течению вдоль русла водотока под действием гидравлических сил, позволяет с минимальными энергетическими затратами эффективно осуществлять промывку русел за счет создания размывающих скоростей в зоне влияния водовыпускной щели с последующим перемещением размытого грунта вниз по течению. Размыв донных отложений осуществляется непосредственно в нижнем бьефе устройства в зоне влияния образующегося гидравлического прыжка.
Исследования проводились по стандартной методике исследования мембранных плотин в стеклянном гидравлическом лотке шириной 0,697 м и длиной 8,0 м, оборудованным мерным водосливом Томсона. В ходе экспериментов изменялись расход воды в лотке и глубина потока в нижнем бьефе, регистрировались показания пьезометров, установленных на напорном полотнище, производилось измерение скоростей потока в зоне влияния водовыпускной щели микровертушкой ГМЦМ-1, фиксировалось положение поперечного профиля напорного полотнища цифровой видеокамерой. Исследования сопряжения бьефов выполнялись в диапазоне изменения величины отношения - глубины в нижнем бьефе к - раздельной глубине при числах Фруда от 3,0 до 106,000, рассчитываемых по формуле где в качестве линейной характеристики присутствует первая сопряженная глубина - . Движение потока на участке размыва являлось установившемся, безнапорным, турбулентным, отвечающим квадратичной области сопротивления [3].
Оптимальное и эффективное использование устройства и его оперативное управление в практических условиях требуют выполнения исследовательских задач, решения которых позволяют понять процесс взаимодействии потока с устройством в целом и с отдельными его элементами. Важной характеристикой работы устройства является его производительность, которая определяется объемом наносов, размываемых в единицу времени, и скоростью передвижения устройства, определяющей регламент работы береговых анкеров. При этом для размыва донных отложений были созданы условия наличия в русле такого известного явления как гидравлический прыжок, который обладает огромной размывающей способностью в зоне длиной , представленной участками:
- бурного движения, характеризуемого длиной отгона прыжка ();
- самого прыжка длиной ();
- спокойного неравномерного движения длиной (), следующей за прыжком зоне, где происходит затухание пульсаций до величин, наблюдаемых при равномерном движении, размыва наносных отложений не происходит, также как и выпадения в осадок размытых фракций.
Поэтому скорость потока в конце этого участка определяется как незаиляющая и характеризующая транспортирующую способность потока, насыщенного размытыми донными отложениями.
Последним участком, входящим в зону влияния водопропускной щели, является участок спокойного равномерного движения, где скорости потока становятся недостаточными для размыва донных отложений. Здесь происходит формирование дюнообразного грунтового вала за счет осаждения наиболее крупных фракций размываемых отложений и транспортирование потоком мелких частиц ниже по течению.
Таким образом, размыв наносных отложений и насыщение потока продуктами размыва осуществляется на участке, длину которого , определяем по формуле:
, (1)
где - дальность отгона прыжка, м;
- длина прыжка, м;
- длина послепрыжкового участка, м.
Значение , и вычисляем в соответствии с общеизвестными методиками и формулами [3, 4].
Целью настоящей работы является расчет производительности устройства, характеризуемой объемом наносов, размываемых в единицу времени в зоне влияния водовыпускной щели мобильного устройства, а также скоростью перемещения самого устройства по руслу водотока в условиях насыщения потока размываемыми наносными отложениями.
Основополагающим направлением выполнения поставленной цели являются результаты, изложенные в трудах С.С. Медведева, И.С. Румянцева, А.Г. Хачатряна, Х.Ш. Шапиро [5-10] и других исследователей, рассмотревших вопросы насыщения потока размываемыми наносными отложениями до состояния полного насыщения, определяемого как его транспортирующая способность (, кг/с). Так Х.Ш. Шапиро и С.С. Медведев получили зависимости, позволяющие определить длину пути (), на котором поток полностью насыщается размытым наносным грунтом, при этом в русле сохраняется отмостка с заданным фракционным составом. Мы считаем, что использование результатов Х.Ш. Шапиро и С.С. Медведева позволяют рассчитать фактическую мутность () при условии, что на длине пути полного насыщения промывного потока () масса размываемых отложений прямо пропорциональна длине пути размыва, и предлагаем определять () по формуле:
, (2)
где - фактическая мутность потока;
- транспортирующая способность потока;
- длина участка размыва наносных отложений в зоне влияния водовыпускной щели;
- длина пути насыщения потока размытым наносным грунтом.
Транспортирующую способность () определяем по формуле Х. Ш. Шапиро [11]:
, (3)
где - мутность, соответствующая транспортирующей способности потока на послепрыжковом участке, кг/м3;
- мутность, образующаяся при размыве -той фракции, вычисляемая по формуле:
, (4)
где - постоянная кривой распределения по крупности взвешенных наносов -той фракции ;
- средняя размывающая скорость потока;
и - гидравлическая крупность соответственно фракции и ;
- наибольшая взвешивающая скорость:
, (5)
где - коэффициент шероховатости русла;
- гидравлический радиус русла на послепрыжковом участке.
Для решения поставленной задачи согласно схеме (рисунок 1) определяем по формуле (1) длину участка размыва () наносных отложений, соответствующую гидравлическим условиям промыва русла, и сопоставляем ее с длиной пути полного насыщения промывного потока () фракцией размываемого грунта, условный диаметр которой .
- проектная высота устройства; - действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели; - ширина водовыпускной щели; - критическая глубина; - сжатая глубина; - глубина в нижнем бьефе; - первая сопряженная глубина; - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту; - высота верхней кромки водовыпускной щели; - средняя глубина на участке размыва; - скорость потока в сжатом сечении; - длина участка размыва; - угол между линией горизонта в нижнем бьефе и тросовой сеткой крепления гребня устройства; - длина отгона прыжка; - длина прыжка; - длина после прыжкового участка; - скорость потока на выходе из водовыпускной щели; - скорость потока на послепрыжковом участке; - уклон русла водотока
Рисунок 1. Схема участка размыва
Для расчета размываемого объема наносов и скорости перемещения мобильного устройства определяется ряд следующих параметров: - коэффициент расхода; - размывающая скорость в зависимости от гранулометрического состава наносных отложений; - глубина в нижнем бьефе; - критическая глубина; - сжатая глубина; - ширина водовыпускной щели; - основной конструктивный параметр мобильного устройства; - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту; - коэффициент вертикального сжатия; - действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели; - скорость потока в сжатом сечении; - средняя скорость потока в сечении после прыжка при ; - средняя скорость на участке размыва; - средняя глубина на участке размыва; - максимальная гидравлическая крупность взвешенных наносов; - раздельная глубина; - первая сопряженная глубина.
Для определения таких параметров, как коэффициент расхода (), ширина водовыпускной щели (), проектная высоту устройства () и действующий напор в центре тяжести водовыпускной щели () устанавливаем значение основного конструктивного параметра устройства (). При его выборе учитываем, что при водовыпускная щель устройства относится к малым отверстиям и расход такой щели определяется по формуле:
, (6)
где - площадь водовыпускной щели.
После чего по полученной автором графической зависимости - или эмпирической формуле (7) определяем значение в зависимости от , например .
, (7)
где - число Фруда: ;
- размывающая скорость, м/с;
- ускорение свободного падения, м/с2;
- ширина водовыпускной щели, м.
Коэффициент расхода определяем также по эмпирической зависимости, полученной по данным исследований, для соответствующего значения принятой величины (). Так при формула расчета величины будет:
. (8)
В результате применения формул (6)-(8) получаем значения , , .
Размывающую скорость () рассчитываем как скорость потока в сжатом сечении при расходе , который в случае промыва естественных водотоков соответствует минимальному летнему меженному расходу (), поток которого осветлен, что в наибольшей мере способствует промыву русла, а в случае промыва искусственных водотоков, где преобладают мелкие фракции, определяется как расход, достаточный для формирования размывающих скоростей для самой крупной фракции наносных отложений. Расход в начальный период промывки соответствует ? 4 % нормального расхода водотока () для искусственных водотоков и () для естественных.
, (9)
где - промывной расход;
- площадь сжатого сечения.
Для расчета вычисляем сжатую глубину по формуле:
, (10)
где - ширина водовыпускной щели, м;
- угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту;
- коэффициент вертикального сжатия.
Угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту () определяем в соответствии с избираемым типом сопряжения бьефов с учетом того, что при отогнанном прыжке наблюдается наиболее интенсивный размыв. Поэтому для промыва искусственных водотоков с бетонной облицовкой принимаем данный тип сопряжения. В случае естественных водотоков, когда формирование отмостки является основным требованием, и для чего необходимо варьирование величиной размывающей скорости, принимаем сопряжение бьефов с надвинутым, то есть затопленным, прыжком. При отогнанном прыжке угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту назначаем в интервале от 8° до 20°, что обосновано экспериментальными данными.
При затопленном прыжке, когда глубина в нижнем бьефе больше раздельной глубины (), определяем по эмпирическим формулам автора, выбор которых определяется величиной основного конструктивного параметра , а применение их рекомендуется согласно экспериментальным данным при .
Коэффициент вертикального сжатия () определяем по формуле К. Ф. Химицкого [12] для случая, когда напорная грань наклонена в сторону нижнего бьефа:
, (11)
где - угол наклона плоскости водовыпускной щели к горизонту;
- ширина водовыпускной щели;
- проектная высота устройства.
Скорость потока в сжатом сечении () определяем как отношение:
, (12)
где - промывной расход;
- площадь сжатого сечения.
Чтобы установить тип сопряжения вычисляем раздельную глубину () как сопряженную со сжатой глубиной (), для чего используем известные аналитические и графические зависимости (например, в случае трапецеидального русла графики А. Н. Рахманова), и, сопоставляя раздельную глубину с глубиной в нижнем бьефе, определяем тип сопряжения. Применяя эти же зависимости, вычисляем первую спряженную глубину (). После чего определяем среднюю глубину на участке размыва:
, (13)
где - сжатая глубина;
- глубина в нижнем бьефе.
Критическую глубину () определяем, исходя из геометрии русла по общепринятым формулам [11].
Далее определяем () среднюю скорость потока в сечении после прыжка при глубине по формуле:
, (14)
где - промывной расход;
- площадь сечения после прыжка.
Тогда средняя скорость на участке размыва определится как отношение:
. (15)
Для определения длины пути насыщения () плоского потока до его предельной мутности применяем формулу схематизации движения взвешенных частиц от створа, где происходит размыв русла, до створа полного насыщения, предложенную С. С. Медведевым [10]:
, (16)
где - длина пути насыщения потока частицами -той фракции грунта, м;
- средняя скорость потока в пределах участка размыва, м/с;
- средняя глубина потока на участке размыва, м;
- максимальная гидравлическая крупность взвешенных наносов (по данным Х. Ш. Шапиро , м/с, - уклон русла, - скорость трения, м/с);
- гидравлическая крупность частиц -той фракции в составе размываемого грунта, м/с;
и - соответственно мутность, соответствующая транспортирующей способности потока, и мутность в граничном (входном) створе потока;
- коэффициент, равный отношению удельного содержания размываемой фракции с диаметром в составах размываемого грунта и наносов при полном насыщении потока до транспортирующей способности.