Научное обоснование облегченных конструкций водопропускных низконапорных сооружений водохозяйственных объектов

Надежное обеспечение продовольствием, сельскохозяйственным и промышленным сырьем Республики Беларусь обусловлено дальнейшим развитием сельскохозяйственного производства, преобразованием инфраструктуры села, восстановлением земельного фонда и защитой его от наводнений и затопленияинтенсификацией использования богатейших водных ресурсов для целей водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики.

В Республике Беларусь накоплен большой опыт гидротехнического и мелиоративного строительства. В настоящее время в Беларуси мелиорировано около 3350 тыс. га земель, или 36% всей площади сельхозугодий. В послевоенные годы построено большое количество прудов, ряд крупных мелиоративных систем и водохозяйственных комплексов: «Любань», «Красная Слобода», «Локтыши», «Селец», «Днепро-Брагинс-кий» и др. Суммарная площадь прудов и водохранилищ отдельных водохозяйственных комплексов составляет 3,3.5 тыс. га. В Беларуси, действует одна из крупных на западе Вилейско-Минская водная система, обеспечивающая переброску стока р. Вилии в водопитающую систему города Минска. Осуществлено крупное мелиоративное и гидротехническое строительство в бассейне реки Припять, в том числе по защите территории от затопления.

Отличительная особенность построенных и строящихся водохозяйственных объектов состоит в том, что они включают не только аккумулирующие русловые или наливные водохранилища. В их состав входят крупные рыбоводные хозяйства площадью 2000.2500 га с питомниковыми прудами и инкубационными цехами. Большинство нагульных русловых прудов площадью 100.200 га выполняют роль аккумулирующих емкостей. Такое их использование позволяет увеличить полезный объем водохозяйственного комплекса, осуществлять срезку пика весенних и летне-осенних паводков, а зааккумулированный сток использовать для питания рыбхозов, для орошения, социально-бытовых нужд, водного транспорта, гидроэнергетики, улучшения экологического состояния окружающей среды".

Применение на эксплуатируемых и планируемых к строительству объектах водопропускных сооружений с высокой материалоемкостью и стоимостью явилось одной из основных причин резкого снижения в последние годы объемов и темпов мелиоративного водохозяйственного строительства.

Проблема ресурсосбережения является особенно острой в Республике Беларусь ввиду дефицита некоторых важных видов сырья и энергоносителей. Разработанная и утвержденная правительством Республики Беларусь «Государственная программа охраны и рационального использования земель» предусматривает ряд приоритетных направлений по повышению эколого-экономической эффективности мелиорации на основе усовершенствования методов и способов проектирования, разработки и внедрения ресурсосберегающих конструкций и технологий.

Эффективное использование многочисленных мелиоративных систем, прудов и водохранилищ, их реконструкция и улучшение экологического состояния, дальнейшее мелиоративное освоение земельного фонда и естественных водоисточников — огромный резерв увеличения товарной сельскохозяйственной продукции и повышения эффективности сельскохозяйственного производства в целом. Для успешной реализации этой широкой и важной программы необходимы прогрессивные, надежные, энерго-и-материалосберегающие технологии и конструкции гидротехнических сооружений.

В настоящей работе основное внимание уделено созданию новых технических решений, усовершенствованию конструкций водопропускных сооружений массового применения, обоснованию областей их применения, методики расчета и проектирования с учетом конкретных условий объекта. При выполнении работы широко использован накопленный научный потенциал и практический опыт отечественных и зарубежных ученых, научно-исследовательских и проектных организаций и учебных заведений: МГУП, БГПА, БелНИИМиЛ, ЦНЙИКВР, МГСУ, ЛПУ, УГАВХ, НИМИ, ЮжНИИГиМ, УкрНИГиМ, ВНИИГиМ, САНИИРИ, Белгипроводхоз, Укргипровод-хоз, Росгипроводхоз, ВоДГЕО, и др.

Работа выполнена как составная часть Общесоюзной научно-технической проблемы 0.04 «Гидротехнические сооружения на мелиоративных системах» (1986г.1990гг.) по заданию 01.03.03 «Разработать и внедрить облегченные водопропускные сооружения, конструкции флют-бетоз и сопрягающих устройств и методику их расчета» — по заданию 05.01 (Пр.0.04) «Разработать и внедрить сетевые мелиоративные сооружения с унификацией и стандартизацией конструктивных элементов с учетом индустриализации их строительства и автоматизации процессов управления на системах». Ряд разделов выполнен в соответствии с решением Минводхоза Республики Беларусь (№ 08−10/236,1980) «Разработать рекомендации по совершенствованию конструкции и выбору рациональных типов водосбросных сооружений для прудов и малых водохранилищ» — по заданию Белмелиоводхоза, Белгипроводхоза и Полесь-египроводхоза: «Разработать и внедрить рациональные устройства нижнего бьефа водопропускных сооружений для прудов и мелиоративных систем» .

По результатам исследований разработаны институтом Белгипро-водхоз три Типовые проектные решения, рассмотренные и утвержденные НТС Минводхоза СССР и БССР: «Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 150 м3/с с напором 4. Юм для прудов и малых водохранилищ» — «Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4−12 м для прудов и малых водохранилищ // Белгипро-водхоз. — Мн. — 1981; «Гасители энергии водного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м» (1992г). А также Типовой рабочий проект «Трубчатые регуляторы с ныряющими оголовками и гасителями-растекателями», разработанный институтом Полесьегипроводхоз, утвержденный НТС Белмелиоводхоза (1996г). Разработаны «Временные технические условия проти-вофильрационной защиты бетонных и железобетонных конструкций, зданий и сооружений», утвержденные Минводхозом БССР (№ 416/77).

Материалы исследований и внедрения демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены серебрянной медалина «Республиканском смотре-конкурсе научно-методических работ вузов и средних учебных заведений» (1994г) отмечены двумя дипломами.

Результаты НИР легли в основу учебника-монографии «Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов» (Выс.школа, Мн.1990г. 18,5 п.л.) с грифом Управления высшего и среднего специального образования Государственного агропромышленного комитета СССР, научной монографии «Облегченные конструкции водопропускных сооружений» (Мн. 1997 г. 10, 0 п. л.).

Основной объем работы выполнен в течении 15 последних лет в гидротехнической лаборатории Беларусской сельскохозяйственной академии. Отдельные исследования проведены в лаборатории МИСИ и МГУП (МГМИ) при научной консультации д.т.н., профессора С. М. Слисского, д. т.н., профессора Н. П. Розанова, д. т.н., профессора Э. И. Михневича, д. т.н. профессора И. С. Румянцева.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу научной группы факультета мелиорации и водного хозяйства БСХА, моим аспирантам за помощь в выполнении экспериментальной и графической части работы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Надежное обеспечение продовольствием, сельскохозяйственным и промышленным сырьем Республики Беларусь обусловлено дальнейшим развитием сельскохозяйственного производства, преобразованием инфраструктуры села, восстановлением земельного фонда и защитой его от наводнений и затопления, интенсификацией использования богатейших водных ресурсов для целей водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики.

В разработанных и утвержденных правительством «Основных направлениях развития мелиорации земель и их использования в Республике Беларусь» вопрос ресурсосбережения рассматривается одним из приоритетных направлений в проектировании, строительстве и эксплуатации (реконструкции) мелиоративных систем и водохозяйственных комплексов.

Эффективность, стоимость и надежность водохозяйственных объектов во многом определяются уровнем инженерно-технического их оснащения и, в первую очередь, многочисленными водопропускными гидротехническими сооружениями, которые в комплексе с другими инженерными сооружениями призваны обеспечить аккумуляцию стока, его распределение, управление водным режимом объекта.

Однако применение на эксплуатируемых и планируемых объектах водопропускных сооружений с высокой материалоемкостью и стоимостью явилось одной из основных причин резкого снижения в последние годы объемов и темпов водохозяйственного строительства.

Проблема ресурсосбережения является особенно острой в Республике Беларусь ввиду дефицита некоторых важных видов сырья и энергоносителей.

Многие годы в водохозяйственном строительстве применялись сооружения массивной конструкции. Еще в 80-е годы на возведение водосбросного сооружения низконапорного речного гидроузла на расход воды до 150 м3/с требовалось до 4 тыс. м3 бетона и железобетона, а на 1000 га осушительно-увлажнительной сети приходилось от 40 до 55 сооружений с расходом бетона и железобетона от 0,5 до 1,2 м³ на 1 га мелиорируемой площади. Поиски путей удешевления водопропускных сооружений привели к созданию ряда усовершенствованных типов и конструкций. Однако, несмотря на достигнутые положительные результаты, удельная материалоемкость и стоимость водопропускных сооружений остается весьма высокой. По оценке ряда институтов на строительство водопропускных сооружений приходится от 30 до 60% стоимости всего объекта (речного гидроузла, мелиоративной системы). При этом удельные материальные затраты (на один кубометр расчетного расхода воды) составляют: для водосбросных сооружений речных низконапорных гидроузлов: бетона — 5.30 м3, арматурной сталиО, 5.3 тдля сооружений на мелиоративных каналах: бетона — 2.8 м3, арматурной стали — 0,6.2,5 т.

Сложность гидравлических явлений, разнообразие режимов движения потока через водопропускные сооружения, особенно в пространственных условиях, недостаточная изученность этих процессов не всегда дают возможность выбрать наиболее рациональную конструкцию и размеры сооружения, состоящего, как правило, из отдельных частей или модулей, что наиболее характерно для малопролетных водопропускных низконапорных сооружений. Накопленный многовековой опыт водохозяйственного строительства предлагает, в основном, традиционные методы конструктивного и расчетного обоснования средних и крупных водопропускных сооружений. Применение этих методов для низконапорных сооружений, возводимых на маловодных водотоках, не дает во многих случаях однозначных и эффективных решений.

Проблема ресурсосбережения на строительстве водопропускных сооружений массового применения на мелиоративных и водохозяйственных объектах — это важная народнохозяйственная проблема, решение которой на основе разработки и внедрения принципиально новых научно обоснованных типов и конструкций гидротехнических сооружений является новым научным достижением в водохозяйственной отрасли.

Цель работы. Разработать на основе теоретических, экспериментальных и натурных исследований принципиально новые облегченные (ресурсосберегающие) конструкции, методологию расчетного и проектного обоснования массовых водопропускных низконапорных сооружений применительно к условиям строительства и эксплуатации мелиоративных систем и гидроузлов на малых водотоках.

Поставленная цель включает решение следующих задач: разработать комплекс методов расчетного и проектного обоснования перспективных и ресурсосберегающих конструкций водопропускных облегченных сооружений, способов сопряжения бьефов и гашения избыточной водной энергии с учетом гидравлических особенностей, условий строительства и эксплуатации мелиоративных систем и водохозяйственных объектов на малых водотокахпредложить методику определения гидравлических и геометричесних параметров потока, краевых условий формообразования на сопрягающем участке нижнего бьефа с учетом влияния режима истечения и конструктивных форм водовыпускного отверстия, конструктивных форм сопрягающего русларазработать рациональную конструкцию, основы расчета и проектирования устройств нижнего бьефа с гасителями решетчатого типа для малопролетных водосбросов-водоспусковобосновать конструкцию, методику расчета и проектирования устройств нижнего бьефа, обеспечивающих эффективное гашение водной энергии путем соударения потоков за трубчатыми водопропускными сооружениями, возводимыми на мелиоративных каналахразработать рациональную конструкцию, методическое и расчетное обоснование открытого низконапорного водопропускного сооружения (плотины) для речных гидроузлов (прудов и водохранилищ) — на основе полученных результатов теоретических, научно-методических и технических разработок обосновать новые направления в теории и практике мелиоративного и гидротехнического строительства. Научная новизна. Разработаны, научно обоснованы и эксперимен-1 тально проверены принципиально новые подходы к конструктивному, расчетному и проектному обоснованию водопропускных малопролетных низконапорных сооружений мелиоративных и водохозяйственных объектов, основанные на использовании рациональных конструктивных форм модульного комплекса и эффективных способов гидравлики сооружений, и на этой основе получили дальнейшее развитие методы определения преимущественного применения типов сооружений, конструкций отдельных их частей или модулей, способов сопряжения потока и способов гашения водной энергииметоды определения геометрических и гидравлических параметров и форм потока на участке сопряжения бьефов, учитывающие режим истечения и геометрическую форму водовыпускного отверстия, форму сопрягающего русларазработаны впервые конструкция и методы расчетного обоснования решетчатого гасителя активного действия применительно к пространственным условиям сопряжения бьефов за малопролетными водосбросными сооружениями, включая: обоснование геометрической формы, принципиальной конструкции и области применениягидравлику устройства как гасителя водной энергиирасчетное обоснование конструктивных параметров элементов гасителяопределение гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную плиту с установленным гасителемобоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с решетчатыми гасителями при донном и поверхностном режимах сопряженияосуществлено дальнейшее совершенствование конструкции и методов расчетного обоснования устройств нижнего бьефа с применением технических средств деления потоков и гашения энергии соударением струй применительно к трубчатым малонапорным сооружениям, включая: обоснование способа деления потоков и соударения струй и конструкции делителя потока в виде пластины-растекателяопределение гидравлических и геометрических параметров разделяемого потока и соу-даряемых струйопределение эффективности и области преимущественного применения способа деления и соударения для гашения избыточной энергии потокаобоснование компоновочных решений устройств нижнего бьефа с применением делителя потока для сопряжения бьефов и гашения энергииразработаны впервые новые тип и методы расчетного обоснования водопропускного сооружения (плотины) с решетчатым водосливом и камерой гашения водной энергии, включая: определение гидравлического профиля, конструкции и геометрических параметров сооруженияметодику гидравлического расчета решетчатого водослива-быстротокаобоснование удельных расходов через сооружение и на рисбермеопределение гидродинамических воздействий на водобойную плиту и решетчатый водосливоценку гидравлического режима сооружения как двухъярусного водослива с камерой гашенияобоснование условий сопряжения бьефов и гашения энергии, геометрических параметров устройства нижнего бьефа.

Методический подход, теоретические и экспериментальные исследования, изложенные в диссертации, могут быть использованы для исследования и совершенствования других типов водопропускных сооружений, разработки новых прогрессивных инженерных конструкций.

Практическая и экономическая значимость. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Белорусской сельскохозяйственной академии, ААН РБ и является частью государственной научно-технической программы в области мелиорации и водного хозяйства Республики Беларусь, частью проблемы 0. 04 «Гидротехнические сооружения на мелиоративных системах», одобренной ГКНТ СССР на 1986;1990 гг. Целевые исследования проведены по заданию Минводхоза БССР согласно Постановлению Госстроя СССР (N248 от 21. 10.87), по заданию ГК Белмелиоводхоз, по заказу институтов Белгип-роводхоза, Полесьегипроводхоза, Пермьгипроводхоза, Союзводпроекта при научной координации работ БелНИИМиЛ, УкрНИИГиМ, ЮжНИИГиМ.

Предложенные новые и усовершенствованные технические решения, научно-обоснованные комплексные методы расчетного и проектного обоснования позволяют выбрать рациональный тип и запроектировать рациональную конструкцию водопропускного сооружения для мелиоративных и водохозяйственных объектов с учетом их природных, строительных и эксплуатационных условий, моделировать направления дальнейшего развития и совершенствования перспективных конструкций.

Сформулированные в диссертации, научных статьях и научных отчетах технические решения, методы расчетов и проектирования использованы в четырех типозых проектах, разработанных Государственными проектными институтами Белгипроводхоз и Полесьегипроводхоз:

Типовой проект 88/318. Водосбросы открытого типа с решетчатой сливной гранью на расход воды от 100 до 250 м3/с и напором до 10 м." - Мн.: Белгипроводхоз, 1988.

Типовые проектные решения. Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с с напором 4−12 м для прудов и малых водохранилищ". — Мн.: Белгипроводхоз, 1981.

Типовые проектные решения. Решетчатые гасители энергии водного потока на расход воды до 50 м3/с при напоре до 15 м". — Мн.: Белгипроводхоз, 1992.

Типовой рабочий проект. Трубчатые регуляторы и переезды с ныряющими оголовками и плитами-растекателями". — Пинск: Полесьегипроводхоз, 1996.

Теоретические и экспериментальные исследования легли в основу учебного пособия-монографии «Водопропускные сооружения низконапор-рных гидроузлов» (18,5 п.л.), а также используются в учебном процессе в БСХА и других учебных подразделениях водохозяйственного профиля.

Предложенные технические решения, их расчетные и проектные обоснования предназначены для ведомств и организаций, занимающихся мелиоративным и водохозяйственным строительством, включая реконструкцию и строительство новых объектов. По технико-экономическому уровню эти решения отвечают, а по ряду показателей превосходят известные мировые аналоги и могут успешно применяться на всей территории Республики Беларусь, в других регионах с существенным экономическим эффектом: — 20. 30% экономии на одном сооружении.

Основные научно-практические положения, выносимые на защиту: обоснования преимущественного применения водопропускных низконапорных сооружений, способов сопряжения бьефов и гашения избыточной водной энергииметоды определения параметров потока и гидравлических форм на участке сопряжения, учитывающие особенности сопряжения бьефов в пространственных условияхтеоретические, расчетные и проектные обоснования решетчатых гасителей активного действия, включая: новые технические решения, разработанные на основе закономерностей взаимодействия турбулентных струй, пограничная область которых удалена при помощи гасителя от донной (русловой) поверхности в глубь потокаопределение области преимущественного применения этих устройствгидравлику решетчатых гасителей активного действияобоснование рациональных конструктивных параметров гасителя, полученное методом оптимизацииполученную на основании результатов экспериментальных исследований методику определения гидродинамических воздействий на элементы гасителя и водобойную его часть (плиту) — рациональные компоновочные решения устройств НБ с решетчатым гасителем при донном и поверхностном режимах сопряжениятеоретические, расчетные и проектные обоснования устройств пластинчатого типа в качестве гасителей водной энергии для трубчатых водопропускных сооружений, включая: инженерно-техническое решение, принятое в виде простейшей конструкции — плиты-растекателя, обеспечивающей деление потока на выходе из водовыпускного отверстия на пропорциональные части с последующим их растеканием и соударениемопределение области преимущественного применения этих устройствгидравлику делителя-растекателя, обеспечивающего сопряжение потоков, работающего в условиях пространственной задачиобоснование рациональной пропорциональности деления потока на части или струи, при соударении которых обеспечивается наиболее эффективное гашение водной энергииопределение рациональных геометрических параметров гасителя и рациональных компоновочных решений устройств нижнего бьефа с их применениемтеоретические, расчетные и проектные обоснования водосбросного сооружения (плотины) облегченного типа с решетчатым водосливом и камерой гашения для речных гидроузлов, включая: новое техническое решение, выполненное в форме треугольной пространственной конструкции, в которой наиболее полно используются физико-механические свойства строительных материалов и статическая взаимосвязь системы «сооружение-среда» — гидравлику решетчатых водоскатов (водозаборов) с большим уклоном, разработанную с учетом конструктивных особенностей сооружения, применимую также для расчета решетчатых водозаборов и быстротоковметодику определения рациональных геометрических параметров сооружения, основанную на выборе эффективного гидравлического режима работы сооружения и экономически выгодного удельного расхода на водосливеопределение гидродинамических воздействий на водобойную часть и элементы решетчатого слива, предложенные на основании результатов лабораторных исследований и натурных измерений.

Личный вклад автора в решение проблемы. Диссертация является результатом многолетних исследований, проводимых автором на кафедре гидросооружений и водоснабжения факультета мелиорации и водного хозяйства Белорусской сельскохозяйственной академии, в лаборатории гидросооружений МИСМ, на натурных мелиоративных и водохозяйственных объектах.

Обоснование и постановка проблемы, формирование программы и рассмотренных задач, методического подхода к их реализации, теоретические и расчетные обоснования и анализ результатов исследований осуществлены лично автором.

Экспериментальные исследования проводились при личном постоянном участии, исполнении и научном руководстве при содействии и участии аспирантов и сотрудников научной группы, руководимой автором диссертации.

При формулировании ряда задач и в ходе их реализации автор диссертациии получил ценные советы от проф. С. М. Слисского, проф.

H.П.Розанова, проф. Э. И. Михневича, проф. И. С. Румянцева. В выполнении гидродинамических исследований, составлении программ для ЭВМ принимали участие сотрудники ЭВЛ БСХА, и лаборатории гидравлики и гидросооружений МГУП.

Апробация работы. Основные результаты выполненных автором исследований, приведенные в диссертации, докладывались, обсуждались и одобрены на Межведомственной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования мелиоративных земель», • УНИВХ, Ровно, 1984; на Всесоюзной конференции «Применение облегченных конструкций гидротехнических сооружений в водохозяйственном строительстве», ЮжНИИГиМ, Краснодар, 1980 г.- на межведомственных научно-технических конференциях и семинарах ЮжНИИГиМа, Новочеркасск,.

I.981, 1982, 1987 г. г.- на Межведомственной научно-технической конференции УкрНИИГиМа, Киев, 1983 г.- на научно-техническом Совете института Белгипроводхоз в 1988;1992 г. г.- на научно-техническом.

Совете института Полесьегипроводхоз в 1987, 1992 г. г.- на НТС Со-юзводпроекта Минводхоза СССР в 1980, 1983 и 1991 г. г. (Пр. N 867) — на ВДНХ СССР в 1985 г. с награждением серебряной медальюна НТС Минводхоза БССР в 1974, 1984 г. г. и ГК Белмелиоводхоза в 19 911 996 г. г.- на Республиканском смотре-конкурсе педагогического мастерства и научного творчества в 1994 г. (с награждением двумя дипломами I ст.) — на научно-производственной конференции БГПА в 1984 г.- на научной конференции МИСИ в 1979 г., МГМЙ в 1982 г.- на ежегодных научно-производственных конференциях БСХА в 1968;1996 г. г.

Достоверность научных исследований апробирована и подтверждена успешной долговременной эксплуатацией ряда объектов, запроектированных и построенных с использованием результатов НИР: «Водохранилище на р. Быстрая» Могилевской областиобъекты «Бабиничи» и «Шниты» Витебской области, объекты «Гигант» и «Арабники» Брестской области, на водохозяйственных объектах Гомельской и Гродненской областей и др.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 42 печатных трудах автора, включая книги «Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов» объемом 18,5 п.л. и «Облегченные конструкции водопропускных сооружений» объемом 10,0 п. л.

Структура и объем диссертации

Диссертация представлена на ' страницах машинописного текста, включая рисунков, и состоит из введения, пяти частей, заключения, списка литературы из 357 наименований и приложения, оформленного отдельной книгой на страницах.

Основные результаты и выводы, полученные на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Резкое снижение темпов и объемов мелиоративного и водохозяйственного строительства, качественных эксплуатационных показателей водохозяйственных объектов связано с большими материальными и энергетическими затратами на возведение и реконструкцию водопропускных сооружений, с медленным процессом разработки и внедрения в производство рациональных ресурсосберегающих конструкций и технологий на основе достижений науки и практики.

2. Проблему ресурсосбережения на строительстве и эксплуатации водопропускных сооружений следует решать путем оптимизации модульного их комплекса на основе обоснованного применения рациональных конструктивных форм, у которых наиболее полно использованы и учтены физико-механические свойства строительных материалов, статические особенности системы «сооружение-среда», эффективные способы гидравлики сооружений. На основании технико-экономического анализа даны обоснования выбора рационального типа сооружения, способа сопряжения, способа гашения водной энергии с учетом конкретных условий.

3. Установлено, что на процесс растекания потока, гидравлические формообразования, режим сопряжения, другие параметрические характеристики потока в нижнем бьефе водопропускных низконапорных малопролетных сооружений существенное влияние оказывает конструктивная форма водовыпускного отверстия, режим истечения, форма сопрягающего русла. Результаты исследований представлены в виде аналитических зависимостей, графиков и методического обоснования проектных решений устройств нижнего бьефа.

4. Использование принципа разделения (дробления) потока, взаимодействия перемежающихся отрывных турбулентных течений привело к созданию принципиально новой конструкции гасителя в виде пространственной решетчатой системы, позволяющей расширить диапазон практического использования решетчатых гасителей, увеличить удельный расход на водосливе и водобое-рисберме в 1,5.2 раза, обеспечить устойчивый режим сопряжения в широком диапазоне краевых условий, снизить размывающую способность потока, существенно сократить размеры и стоимость сооружения.

5. Установлено, что эффективность решетчатого гасителя обусловлена конкретными геометрическими его параметрами: скважностью решетки (3=0,40.0,42), углом атаки (а=8°. (18°)), высотой камеры гашения (hKaM=0,7 hKp), гидродинамическими воздействиями на водобойную часть сооружения, на элементы самой конструкции, на отводящее русло. Предложенные методические обоснования, полученные аналитические и графические зависимости позволяют определить область практического применения, конструктивные параметры гасителя, обосновать рациональные компоновочные решения устройств нижнего бьефа консольного и водобойного типа.

6. Для низконапорных трубчатых сооружений, возводимых на мелиоративных каналах, рационально осуществлять сопряжение бьефов и гашение энергии путем деления-соударения потока с помощью простого и достаточно надежного устройства в виде пластинчатого растекате-ля. Теоретические и комплексные экспериментальные лабораторные и натурные исследования показали, что предложенное устройство при правильном проектировании является высокоэффективным техническим решением, обеспечивающим интенсивное гашение избыточной водной энергии, устойчивый режим сопряжения в пространственных условиях, существенное (до 40−45%) сокращение длины крепления сопрягающей части русла при достаточной надежности и эффективности в эксплуатации.

Путем математического и физического моделирования определены основные параметры гасителя-растекателя: угол атаки (0=48.52°) — ширина пластины (Ьп~0,38.О, 42h0) — высота просвета а2- а также коэффициент пропорционального деления расхода iiq=0,18. О, 5, другие параметры и характеристики. Для решения практических задач предложены номограммы, аналитические и графические зависимости, конструктивные решения, методические обоснования.

7. В результате использования пространственных статических форм в виде «жесткого» треугольника и эффективных способов гидравлики создана принципиально новая конструкция водосливной плотины с решетчатым сливом и камерой гашения для речных гидроузлов, обеспечивающая снижение материальных, энергетических и трудовых затрат на 25.30%. Экономический эффект новой конструкции достигнут благодаря применению в качестве водоподпорной части сооружения сливной стенки, состоящей из напорной диафрагмы, сливной решетчатой плиты и неразрезной водобойной фундаментной плиты, которые образуют камеру гашения. Такое техническое решение дало возможность наиболее полно использовать физико-механические свойства строительного материала, совместную работу системы «сооружение-среда», эффективно применить способ деления и соударения потоков и достигнуть при этом снижения глубины затопления прыжка на 25.35%, сокращения объема тела плотины и общей длины слива-водобоя-рисбермы на 35. .40%.

8. В результате проведенных комплексных экспериментальных лабораторных и натурных исследований плотины ПРК как двухъярусного водосброса-водоспуска установлены геометрические параметры сооружения, гидравлические характеристики водопропускных отверстий, гидродинамические нагрузки на элементы плотины и др., предложены методические указания по расчету, проектированию и эксплуатации водопропускных сооружений подобного типа.

9. Получены новые теоретические решения и экспериментальные данные по гидравлике решетчатых водосливов, на основе которых предложены методические и расчетные обоснования водоскатов и решетчатых водозаборов с большим уклоном.

Приведенные выводы свидетельствуют о том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, проектно-методических разработок позволили обосновать новые направления в теории и практике гидротехнического строительства сооружений и на этой основе разработать ряд рациональных ресурсосберегающих конструкций, внедрение которых в практику показало их экономическую и эксплуатационную эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.