asyan.org
добавить свой файл
1
УДК 532.543: 626.823.4

Вечер В.В., к.т.н., доцент (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)
ПІСКОГРАВІЄЛОВКА ДЛЯ КАНАЛІВ ПЕРЕДГІРСЬКОЇ ЗОНИ
Розглянуті сучасні підходи до боротьби з наносами при водозаборі з передгірських ділянок річок та оптимізації проектних рішень при їх будівицтві.
Гірські та передгірські зони займають значну територію в розвинутих у водогосподарському відношенні регіонах України – Криму, Передкарпатті та Закарпатті. Ріки, що протікають по цих територіях, транспортують донні та зважені наноси, кількість яких часом значна і залежить від цілого ряду факторів. Тому нормальна робота водогосподарських систем, що розташовані в цій зоні, в значній мірі залежить від успішної боротьби з наносами при водозаборі з річок.

Класичним підходом до вирішення цієї проблеми є багато етапний метод боротьби з наносами На першому етапі здійснюються заходи, що зменшують поступлення наносів в річки з водозбірної площі. Другий, основний етап боротьби з наносами, проводиться безпосередньо на головній водозабірній споруді. Тут, в залежності від конструкції і вжитих експлуатаційні заходів, вдається обмежити в якійсь мірі поступлення в канали крупних і частини піщаних наносів. Але наноси, що поступили в канал, порушують режими водокористування і створюють значні експлуатаційні труднощі. Затрати на очистку каналів від наносів складають до 30%, а інколи і значно більшу долю експлуатаційних затрат на систему. Тому, на третьому етапі намагаються вилучити наноси, що попали в канал за допомогою піскогравієловок та відстійників. При цьому, середні по крупності наноси перехоплюються в піскогравієвловках, а зважені наноси – у відстійниках

На даний час розроблені і широко використовуються різноманітні конструкції водозаборів та піскогравієловок, які , в тій чи іншій мірі задовольняють вимоги очистки води від наносів.

Як показує аналіз, всім їм при експлуатації притаманні як позитивні, так і негативні тенденції. Останні пов’язані з недосягненням проектної ефективності очистки води від наносів, що пояснюється нестачею наших знань про результати взаємодії вказаних споруд з природними процесами, що відбуваються в річках та їх урахуванні при проектуванні цих об’єктів.

В наслідок цього:

– позапланово зростають експлуатаційні затрати системи;

- вздовж каналів, при їх очистці, виростають піщані кавальєри ;

- знижується ефективність використання зрошувальних земель; -

- не виконуються графіки водоподачі на різноманітні об’єкти.

Вирішення даної проблеми можливе шляхом вдосконалення і розробки нових конструкцій піскогравієловок , які б забезпечували надійний перехват наносів в умовах зростаючого забору води з річок .

В розвиток багаторічних досліджень проблем боротьби з наносами при водозаборі і на каналах , започаткованих з середини 80 років на кафедрі гідротехнічних споруд НУВГП професором Кирієнко І.І. і співробітниками кафедри, були розроблені конструкції і детально досліджені одно- та двобічний фронтальний водозабір з криволінійною кишенею та криволінійна піскогравієловка [1-2], що використовують для перехвату наносів вторинні циркуляційні течії.

Проте , в складних і суттєво обмежених топографічних умовах гірської та передгірської зони на невеликих та середніх каналах , на наш погляд, доцільно застосовувати більш прості і дешевші прямолінійні піскогравієловки.

Виходячи з цього, була розроблена прямолінійна піскогравіловка з боковою перешкодою. Вона являє собою короткий бетонний лоток з вертикальними боковими стінками (Рис.1), біля однієї з стінок якого розташована незатоплена бокова перешкода, ширина якої вздовж течії збільшується.

Рис.1. Конструкція піскогравієловки.

1-Вхідна частина, 2-бокова перешкода, 3- донний уступ, 4-дно за уступом, 5- промивна галерея, 6- затвор.
За перешкодою влаштовується косо розміщений донний уступ, який створюється пониженням дна водовода. Дно лотка нижче уступу має як поперечний, так і зворотній повздовжні нахили. Завдяки цьому донний уступ має змінну висоту, яка збільшується в сторону промивної галереї.

Витрата промивної галереї регулюється затвором, розташованим на її вході.

Принципово новим є рекомендована компоновка перешкоди на уступі та конструкція вихідної частини.

В основу принципу дії піскогравієловки покладено використання поєднання ряду вторинних течій, що виникають у потоці при його русі в споруді, для перехвату наносів.

При натіканні потоку на перешкоду вже в межах вхідної частини утворюються вихрові та доцентрові циркуляційні течії. ЇЇ придонні токи біля перешкоди повертають на зустріч основному потоку. Границі контуру обтікання перешкоди регулюють ширину смуги руху наносів. Виконання незатопленої перешкоди дозволяє зберегти практично постійними ці границі при зміні гідравлічних характеристик потоку в каналі [1], що розширяє діапазон надійної роботи споруди

Поряд з цією течією, за рахунок місцевого підпору перед перешкодою і скривлення потоку у вхідній частині споруди створюються неврівноважені гідродинамічні сили і виникає поперечна циркуляція, напрямок якої сприяє більшому зміщенню траєкторії руху наносів, що транспортуються потоком біля дна, в поперечному напрямку в сторону промивної галереї.

До моменту підходу до уступу донні наноси зосереджуються на смузі шириною 50-70% ширини споруди зі сторони промивної галереї. При сході з уступу вони попадають у вихрову течію, яка , крім обертового руху, має повздовжні швидкості в сторону промивної галереї. Завдяки тому, що уступ знаходиться зоні максимальної швидкості транзитного потоку, змінній висоті уступу та формі вихідної частини суттєво зростають поздовжні швидкості і транспортуюча здатність цієї течії , чим досягається надійний перехват наносів.

На підставі аналізу літературних джерел та виконаних нами натурних обстежень головних ділянок зрошувальних каналів були сформульовані задачі та розроблена методика досліджень вказаної споруди.

Експериментальні дослідження були проведені в лабораторії кафедри гідротехнічних споруд НУВГП в лотку довжиною 15 м, шириною 1,5 м і висотою 1 м , де був виконаний канал трапецієвидної форми , а в його середній частині встановлена піскогравієловка.

Моделювання здійснювалось по Фруду, умови дослідів відповідали автомодельній зоні по в’язкості для забезпечення рівності коефіцієнтів Шезі для натури і моделі. Виходячи з розмірів лотка і наносів, масштаб моделі був прийнятий 1:8,5.

Дослідження виконувались в діапазоні глибин 5…20 см, висот уступу – 2…8см, кутів його розміщення в плані відносно вісі каналу 450…900, відносної ширини перешкоди 0%-25% від ширини споруди.

В дослідах досліджувались: розподіл глибин потоку, рельєф його вільної поверхні, траєкторії поверхневих та донних струмин, розподіл середніх та миттєвих швидкостей в характерних створах споруди.

Ефективність роботи піскогравієловки в боротьбі з наносами перевірялась на моделі з рухомими наносами у відповідності з рекомендаціями І.К. Нікітіна для трьох характерних режимів роботи водозабору:

- при витратах, при яких розпочинається рух донних наносів в річці;

- при повені, що часто повторюється;

- при проходженні в річці руслоформуючої повені ( забезпеченістю

біля 10% ).

На початковій стадії досліджень при розробці конструкції споруди для обґрунтування раціональної компоновки перешкоди і уступу була вирішена оптимізаційна задача. В якості параметра оптимізації був прийнятий перехват наносів. Для вирішення цієї задачі була застосована теорія планування експерименту. На основі аналізу літературних джерел та натурних спостережень в якості факторів були прийняті:

  • відносна віддаль від початку уступу до місця розміщення перешкоди;

  • відносна ширина перешкоди;

  • відносна висота уступу.

При вирішенні цієї задачі була отримана математична модель у вигляді функції відклику і виконано рух по градієнту параметра оптимізації. Це дозволило зробити висновок про те ,що , поряд з відомим раніше розташуванням перешкоди нижче уступу [2], значно кращий результат досягається при перенесенні перешкоди безпосередньо на уступ. При цьому виключається можливість завалу наносами початкової зони уступу і збільшується перехват наносів. Така компоновка перешкоди і уступу стала основою для подальших наших досліджень.

В процесі досліджень детально вивчена кінематична структура потоку в споруді. Просліджується якісний зв'язок рельєфу вільної поверхні в споруді з його швидкісною структурою. Біля перешкоди, де похили поверхні потоку зменшуються, зменшуються також подовжні швидкості , а у вільній частині споруди, де похили ростуть, - збільшуються і швидкості потоку. При наближенні до уступу швидкості зростають , а епюри - вирівнюються по висоті, що є характерною признакою існування в потоці циркуляції.

Максимальні придонні швидкості в зоні найбільшої концентрації наносів в створі перешкоди можуть бути знайдені по залежності

=1,02+1,08n, (1)

де V0 - середня швидкість потоку на підході;

V1% - швидкість 1% забезпеченості.

Дослідження вихрової течії за уступом показала залежність останньої від форми дна за уступом. Розподіл максимальних поздовжніх придонних швидкостей у вальці за уступом постійної висоти і при виконанні поперечного похилу дна за уступом показано на рис.2. Їх аналіз показує, що при наявності поперечного похилу дна за уступом максимальні придонні швидкості у вальці зростають приблизно в 1,5-2,0 рази.

Розподіл максимальних швидкостей у вальці по довжині уступу знаходиться за залежністю

(2)

(3)

, (4)

де - кут розташування уступу в плані в градусах;

- відносна координати по довжині уступу;

- середньоквадратичне відхілення.

а) б)

Рис.2. Розподіл максимальних швидкостей у вальці по довжині уступу при а) iп=0,00 ; б) iп=0,08

1. n = 0.1 ; 2. n = 0.2 ; 3. n = 0.25
Інтенсивність турбулентності , по даних досліджень , по довжині уступу пост ійна і може бути прийнята =0,1

Вивчення особливостей водообміну між транзитним потоком і вихровим вальцем доказало, що перекіс дна за уступом регулює висоту шару захвату води у валець ( віддаль від уступу до точки, де захват води у валець дорівнює нулю) таким чином, що найбільша його висота співпадає з місцем концентрації наносів, що дає змогу перехвату також частини наносів.

Виконані дослідження наносного режиму показали, що в розробленій піскогравієловці забезпечується надійний перехват наносів і достатня транспортуюча здатність вихрової течії при всіх режимах роботи (рис.3)

Рис.3. Характер відкладень наносів у вхідній частині та за уступом піскогравієловки.

Отримана графічна залежність перехвату наносів по фракціях в піскогравієловці (Рис.3), яка описується залежністю

, (5)

де S - перехват наносів у %;

W - середня гідравлічна крупність наносів , м/с;

n - відносна ширина перешкоди, ;

V* - динамічна швидкість на підході, м/с.

Розрахунок поділу наносів у піскогравієловці здійснюється за методикою , запропонованою І.К. Нікітіним за залежністю (5).

Експериментально доказана можливість промивки наносів, які завалили дно за уступом , після відновлення роботи промивної галереї . промивні витрати при нормальних режимах експлуатації не перевищують 5% від витрати каналу.

Розроблені рекомендації щодо визначення основних розмірів і гідравлічного розрахунку споруди

В результаті досліджень запропоновані нова конструкція прямолінійної піскогравієловки, яка має широкий діапазон надійної роботи при мінімальних промивних витратах і порядок її проектування.

1.Кириенко И.И., Климук А.С. Гидравлические исследования фронтального водозабора с криволинейным карманом. /Гидравлика и гидротехника.- Киев, 1983. – Техника, вып.37. 2. Кириенко И.И., Климук А.С. Криволинейная пескогравиеловка на каналах оросительных систем горно-предгорной зоны. Минводхоз СССР. Экспресс-информация, сер.1, вып.5, «Орошение и оросительные системы», Москва, 1979. 3.Данелия Н.Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными наносами. Москва, «Колос», 1964, 336 с. 4.І.І. Кирієнко, О.Є. Щодро Піскогравієловка Авторське свідоцтво № 836280. 5. Никитин И.К. Турбулентный русловой поток и процессы в придонной области. Киев, Изд-во АН УССР, 1963, 142 с.