Методика и программный комплекс для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 17, 2010. -\-

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.22

З.А. Курбанова, И.А-Г.Сулейманов, А.В. Магомедова

МЕТОДИКА И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТОВ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СООРУЖЕНИЙ ВОДОСЛИВНОГО ФРОНТА НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН

Из-за отсутствия в нормативных документах методик и рекомендаций для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин и соответствующих им параметров сооружений водосливного фронта, в проектной практике используется упрощенный и приближенный метод вариантного проектирования, который требует при ручном счете значительных трудовых и временных затрат. В результате проводимых в последние годы исследований на кафедре Гидротехнических сооружений ДГТУ, была разработана усовершенствованная методика, алгоритм и программа расчета на ЭВМ удельных экономичных расходов водосливных плотин на нескальном основании и соответствующих им оптимальных параметров сооружений флютбета, учитывающая все основные сооружения водосливного фронта водоподпорных водосливных сооружений на нескальном основании и процессы размыва в нижнем бьефе плотины.

Ключевые слова: методика, удельный расход, плотина, нижний бьеф, водосливной фронт, программа.

В основу методики гидравлического расчета по определению наиболее экономичных удельных расходов водосливных плотин на нескальном основании и соответственно оптимальных параметров сооружений водосливного фронта положена классическая теория сопряжения бьефов и расчета удельного расхода плотины (q ) на основе поиска минимума функции CT = f (q), где CT - суммарная стоимость сооружений водосливного фронта плотины. Удельный расход воды водопропускного сооружения, является важнейшей характеристикой пропускной способности сооружения, а выбор его значения во многом определяет конструкцию водопропускного сооружения, режимы сопряжения бьефов, конструкцию крепления верхнего и нижнего бьефа и, как следствие, технико-экономические показатели всего гидроузла.

При проектировании водосливного фронта по данной методике обычно несколько раз назначают величину удельных расходов и для каждой из этих величин определяют гидравлические параметры, а по ним размеры сооружений. По размерам сооружений, входящих в водосливной фронт плотины, устанавливают объемы бетонных и земляных работ, а по ним - стоимость сооружений для каждого значения q .

Увеличение удельного расхода ведет к уменьшению длины бетонной части плотины и увеличению длины глухой земляной плотины, что приводит к уменьшению суммарной стоимости сооружений водосливного фронта. Однако, чем больше удельный расход q, тем больше длина крепления нижнего бьефа, массивней устройство для гашения энергии, больше глубина водобойного колодца, а, следовательно, и глубже заложение ее подошвы, длиннее и выше подпорные стенки, защищающие берега и примыкающую к бетонной плотине грунтовую плотину. Это приводит к повышению стоимости гидроузла. Очевидно, что увеличение удельных расходов экономически выгодно лишь до известных пределов.

При ручном счете строится график зависимости между удельными расходами и стоимостью сооружения, по которому определяют такое значение q , которому

соответствует минимальная стоимость (минимум кривой на рис.1). Этот удельный расход называют экономически наивыгоднейшим удельным расходом чэк.

Традиционная схема расчета чэк, является весьма упрощенной (рис. 2) и включает в себя следующие пункты расчетов: гидравлический расчет водосливной плотины; гидравлический расчет водобойного колодца (или плиты); гидравлический расчет рисбермы; по результатам гидравлических расчетов сооружений устанавливают размеры сооружений (плотины, гасителя энергии и рисбермы); определяют объемы бетона сооружений; определяют объемы грунтовых работ (по котлованам под этими сооружениями и грунту приращиваемой части земляной плотины); определяют стоимости бетонных и грунтовых работ.

СТ

к

3

2 . а 1 1 1 / / 1 ✓ / их^ /

1 — 1 1 1 1 . 1 1 1 / 1 / 1 у 1 / 1 1 ^^ 1 1

1 1 1 г 1 ! ь

Ч

Рис. 1. Зависимость стоимости СТ устройств нижнего бьефа (1), водосбросного сооружения (2) и их общей стоимости (3) от удельного расхода: а - зона оптимальных удельных расходов

Рис.2. Упрощенная расчетная схема флютбета. 1 - плотина, 2 - водобой, 3 - рисберма

В общем случае водосливной фронт плотины состоит из подпорного сооружения (водосливной плотины) и нижнего бьефа, представляющего собой участок реки, расположенный ниже подпорного сооружения. Нижний бьеф гидроузла включает систему взаимно связанных элементов, состоящих из устройств, относящихся к сопряжению бьефов (устои, разделительные стенки и т.д.) и гашению избыточной энергии водосбросного потока (водобой, рисберма, переходное гибкое крепление от рисбермы к неукрепленному отводящему руслу), а также участок неукрепленного русла от конца переходного крепления до створа с условиями течения, близкими к бытовым.

Учитывая это, вышеприведенная традиционная схема состава сооружений по определению дэк (рис. 2) значительно расширена [5].

-\-

В расчетную схему состава сооружений водосливного фронта введены: многопролетная водосливная плотина; бетонные разделительные стенки (быки); стены-устои, ограничивающие водосливной фронт с обеих сторон; понур перед плотиной; гаситель энергии; рисберма (рис.3).

Стены-устои состоят из трех основных элементов: продольной подпорной стенки, выполняющей роль берегового быка (в пределах плотины); верховой сопрягающей стенки (в пределах понура) и низовой сопрягающей стенки (в пределах водобоя). При строительстве плотин напором до 10-12 м (низконапорные плотины) в целях уменьшения объема бетона и облегчения конструкции применяют железобетонные, ячеистые, контрофорсные стены-устои.

В связи с этим в методику расчета введен расчет стен-устоев 3-х различных конструкций: полумассивных бетонных Г-образного типа, железобетонных и ячеистых.

Рис. 3 - Расчетная схема водосливного фронта плотины: 1- водосливная плотна; 2 -водобой; 3 - рисберма; 4 - концевое крепление; 5 - крепление берегов вдоль рисбермы; 6

- стены-устои; 7 - понур, 8 - обратный фильтр.

Бетонный понур в расчетах предусмотрен длиной 2Н (где Н - напор перед плотиной) и средней толщиной 0,3 м (рис. 3).

Как правило, низконапорные плотины возводятся на нескальных грунтах и поэтому при донном режиме сопряжения бьефов обычно имеют в нижнем бьефе водосбросов бетонный водобой с гасителями энергии и рисберму, а также переходное крепление [4,6]. Конструкции и типы устройств нижнего бьефа и их компоновка определяются рядом факторов: гидрологических, топографических, геологических, технико-экономических и т. д. В гидротехнической практике применяются разнообразные конструкции и типы устройств, которые рассматриваются на предварительной стадии проектирования гидроузлов. Условия работы и конструкции крепления нижнего бьефа зависят в значительной мере от режима сопряжения с нижнего бьефа сбрасываемого потока. Если глубина нижнего бьефа недостаточна для затопления прыжка, ее увеличивают устройством водобойного колодца, водобойной стенки, устанавливают на водобое гасители энергии или используют комбинацию указанных средств.

В разрабатываемой методике предусматривается расчет нескольких видов гасителей энергии, в частности, водобойной плиты с реактивными гасителями, водобойного колодца, водобойной стенки и комбинированного водобойного колодца. Выбор того или иного вида гасителя производится по конструктивным и строительным соображениям, а также из условия экономической целесообразности применения того или иного типа гасителя. Так, если устройство водобойного колодца требует значительного заглубления

-\-

подошвы плотины и увеличения объема бетона, его можно заменить водобойной стенкой

или комбинированным колодцем.

В качестве крепления рисбермы чаще всего используют бетонные и железобетонные плиты как основной тип крепления (при больших скоростях воды) на рисберме. Плиты укладывают на обратный фильтр. При скорости потока на рисберме 3-4 м/с может устраиваться рисберма из каменной наброски. Поэтому в методику расчета Ч введен расчет рисбермы 2-х типов: рисберма из бетонных плит, уложенных на обратный фильтр (рис. 3), и рисберма, выполненная из каменной наброски. Предусматривается также и крепление откосов в пределах рисбермы из того же материала, что и сама рисберма (рис. 3). Тип крепления выбирается из условия допустимых скоростей потока на рисберме. Гидравлический расчет рисбермы из плит заключается в определении длины и толщины плит крепления и общей длины рисбермы. Расчет каменной наброски рисбермы заключается в определении диаметра камня наброски, из условий устойчивости его на размыв.

Для защиты рисбермы от размыва за рисбермой предусматривается концевое крепление в виде ковша, отсыпанного камнем, и вертикального бетонного зуба [4,6].

Таким образом, методика гидравлического расчета оптимальных параметров водосливной плотины, с учетом всех выше перечисленных дополнений и изменений, включает:

- гидравлический расчет однопролетной и многопролетной водосливной плотины, который заключается в определении количества и ширины водосливных отверстий, геометрических размеров плотины (высота плотины и ширина водосливного фронта плотины);

- расчет сопряжения бьефов за водосливной плотиной, который заключается в определении сопряженных глубин в нижнем бьефе и типа сопряжения бьефов;

- гидравлический расчет гасителей энергии (водобойной плиты, водобойной плиты с реактивными гасителями, водобойного колодца, водобойной стенки и комбинированного водобойного колодца). Выбор того или иного гасителя энергии производится из условия сопряжения бьефов из технико-экономических соображений;

- расчет рисбермы, который заключается в определении размеров плит крепления и общей длины рисбермы. При расчете рисбермы из каменной наброски определяется диаметр камня наброски, из условий устойчивости его на размыв. Выбор типа крепления рисбермы (бетонные плиты, каменная наброска) выполнятся из условия допустимых скоростей потока на рисберме;

- расчет концевого крепления, который заключается в определении глубины ямы размыва, диаметра камня ковша и высоты стенки зуба;

- расчет стен-устоев различных конструкций: полумассивных бетонных Г-образного типа, железобетонных и ячеистых. Расчет включает в себя определение геометрических размеров устоев заданной конструкции, их объемов и стоимости;

- определение объемов работ по плотине и сооружениям водосливного фронта;

- расчет стоимости плотины и сооружений водосливного фронта.

При выборе удельных расходов, соответствующих минимальной стоимости водосливного фронта, необходимо учитывать возможные изменения уровенного режима вследствие общего размыва русла реки за креплением в нижнем бьефе, которые имеют большое значение при расчетах устойчивости сооружений, фильтрации под сооружениями и в обход их, сопряжения бьефов и конструкций крепления нижнего бьефа, а также при обосновании высотного положения и отметок заложения турбин и насосов, порогов судопропускных сооружений и др. Поэтому, данная методика включает расчет общего размыва русла и понижения отметки уровня воды в нижнем бьефе водосливной плотины в зависимости от удельных экономичных расходов.

-\-

Разработанная методика расчета трансформации русла основана на конечно-разностном методе. Исходными данными к расчету являются гидравлические и геологические показатели русла за рисбермой. Расчету предшествует схематизация русла и разбивка его на участки протяженностью, равной не менее двух-трех значений ширины русла. Расчет деформации русел, сложенных разнозернистым грунтом, разбивают на два этапа: 1-й этап - расчет предельного размыва русла до образования естественной отмостки его крупными фракциями грунта. Допускаемую неразмывающую скорость для неоднородных грунтов и средний диаметр отмостки определяются по формулам Мирцхулава Ц.Е. и Магомедовой А.В. В качестве расчетного расхода потока принимается руслоформирующий расход или расход, соответствующий пропускной способности гидроузла. 2-й этап - последовательный расчет хода трансформации русла по уравнению баланса наносов от его исходного состояния до достижения предельной глубины размыва, найденной на 1-м этапе расчета. На предварительных стадиях проектирования, а также при ограниченной исходной информации о морфометрии русла, составе наносов и твердом стоке расчет общего размыва может быть осуществлен по приближенному методу И.И. Леви [3,4].

В связи с тем, что реализация описанной методики расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта водосливных плотин, с учетом итерационных процедур, требует большого объема вычислений, ее реальное осуществление возможно на ЭВМ [5].

Для этого разработан алгоритм и создан программный комплекс на алгоритмическом языке Фортран Power Station 4.0 (стандарт языка Фортран 90), снабженном средой Microsoft Developer studio (мастерская разработчика), которая работает под управлением Windows и имеет удобный пользовательский интерферейс для создания, компиляции, связывания, отладки, выполнения программ и просмотра результатов расчета [1,2]. Программный комплекс имеет модульную структуру, позволяющую включать и исключать из расчетов отдельные сооружения, входящие в водосливной фронт, а также выбирать различные типы и конструкции сооружений. Комплекс состоит из 31 основных и 6 вспомогательных процедур: подпрограмм, модулей и функций. Блок-схема алгоритма расчета показана на рисунке рис. 4.

Основные подпрограммы: Fixed_weir - головная программа: программа расчета удельных экономичных расходов водосливных плотин;

Ground - подпрограмма расчета характеристик грунта основания плотины;

Depth - подпрограмма расчета нормальной глубины воды в нижнем бьефе;

Weir - подпрограмма расчета многопролетного водослива практического профиля;

Wei l - подпрограмма расчета многопролетного водослива практического профиля при

заданном удельном расходе воды;

Reach Connection - подпрограмма расчета сопряжения бьефов за водосливной плотиной;

Depthc - подпрограмма расчета глубины потока за плотиной в сжатом сечении;

Vdp l - подпрограмма расчета водобойной плиты без специальных гасителей;

Vdp_2 - подпрограмма расчета водобойной плиты с реактивными гасителями;

Fvd - подпрограмма-функция расчета толщины плиты при наличии на водобое гасите лей

энергии;

Fkr - подпрограмма-функция определения коэффициента размывающей способности потока; Wall - подпрограмма расчета водобойных стенок; Well - подпрограмма расчета водобойного колодца;

Combine_well - подпрограмма гидравлического расчета комбинированного водобойного колодца;

Downstream apron - подпрограмма расчета бетонной рисбермы; Apron_from_stone - подпрограмма расчета рисбермы, выполненной из камня; Scour_pit - подпрограмма расчета глубины ямы размыва за рисбермой;

-\-

Velocity1 и Velocity_2 - подпрограммы расчета допускаемой неразмывающей скорости

потока для несвязных и связных грунтов;

End_strength - подпрограмма расчета концевого крепления;

Fds - подпрограмма-функция расчета диаметра камня наброски;

Рис.4. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин на нескальном основании

-\-

Sediment - подпрограмма расчета транспорта руслоформирующих наносов.

Abutmentl- подпрограмма расчета бетонных стен-устоев; Abutment_2 - подпрограмма расчета железобетонных стен-устоев; Abutment_3 - подпрограмма расчета ячеистых стен-устоев;

Volume_of_work - подпрограмма расчета объемов работ по сооружениям водосливного фронта;

Cost - подпрограмма расчета стоимости плотины и сооружений водосливного фронта; Dam - подпрограмма расчета параметров сооружений водосливного фронта и удельных экономичных расходов при заданном массиве удельных расходов плотины; NBScour - подпрограмма расчета общего размыва русла и понижения уровня воды в нижнем бьефе гидроузла.

Ввод данных и вывод результатов осуществляется подпрограммами Fixed_weir_inp -подпрограмма ввода исходных данных и Fixed_weir_out - подпрограмма вывода в текстовые файлы результатов расчетов.

Вспомогательными подпрограммами являются: Fall_velocity - модуль данных о гидравлической крупности наносов; Lint - подпрограмма линейной интерполяции; Directfunciter - подпрограмма использования метода итерации для нахождения аргумента прямой функции по заданному ее значению; Reversfunc iter - подпрограмма использования метода итераций для нахождения аргумента обратной функции по заданному ее значению; Cost_min - подпрограмма поиска минимума функции -зависимости стоимости сооружений водосливного фронта от удельного расхода; Weir data arrays - модуль объявления данных и динамически размещаемых массивов.

Подпрограммы Dam и NB Scour имеют автономное положение в программном комплексе и включаются при задании соответствующих значений признаков счета Lcount и Lscour : 0 - выключено, 1 - включено. Программа Dam предназначена для научных исследований: расчета ординат графика зависимости СТ = f(q) и изучения влияния на удельный экономичный расход q3K различных сооружений водосливного фронта, параметров плотины и гидравлических параметров верхнего и нижнего бьефа. Для этого в ней формируется и используется массив удельных расходов воды qu(n) и обеспечивается синхронный вывод в текстовые файлы для каждого удельного расхода основных расчетных параметров всех сооружений водосливного фронта: геометрических, гидравлических и экономических, что позволяет строить и исследовать различные графики зависимости между указанными параметрами.

Входными данными являются: признаки счета; расчетный расход и ширина реки; размеры массивов уровней верхнего и нижнего бьефов, и удельных расходов; стоимости строительных материалов; гранулометрический состав русловых отложений, а также дополнительные данные для характеристики сооружений и русла реки.

Выходными данными являются: гидравлические параметры водослива и нижнего бьефа; геометрические размеры сооружений водосливного фронта; геометрические параметры стен-устоев; объемы бетонных и земляных работ; стоимость сооружений водосливного фронта; характеристики потока и русла в нижнем бьефе до и после размыва.

Разработанная методика и программный комплекс тестировались на реально построенных объектах, в частности, водосливных плотинах Волгоградского и Цимлянского гидроузлов. Обе эти плотины находятся на нескальном основании, имеют безвакуумный практический профиль и имеют близкие по значению гидравлические параметры.

В результате численного эксперимента были получены расчетные параметры плотин и сопутствующих сооружений, которые оказались близки к реальным параметрам данных плотин. Ниже приводятся некоторые результаты численного эксперимента.

-\-

Волгоградская плотина

Показатели: Реальные Расчетные % отклонени

Удельный экономичный расход , м/с ... 43,7 41,85 5,3

Ширина плотины В , м........................ 696 737 5,4

Число водосливных отверстий (пролетов) Мпр 26 26 0

Глубина понижения водобойной плиты d , м . 1 0,3 70

Толщина водобойной плиты Т д, м............. . 4,5 4,5 0

Длина водобоя £вод, м.............................. 55 63 14

Длина рисбермы £ с, м ........................... 124 117 6

Цимлянская плотина

Показатели: Реальные Расчетные % отклонения

Удельный экономичный расход , м2/с 50 35,4 26

Ширина плотины В , м ......... 495 661 25

Число водосливных отверстий (пролетов) Мпр ... 24 24 0

Глубина понижения водобойной плиты d , м . ... 1 0,3 70

Толщина водобойной плиты Т , м ..... 4,5 4,2 7

Длина водобоя £ , м .......... . 50 58 3

Длина рисбермы £ с, м ........................... 180 108,3 40

Разработанный программный комплекс имеет практическую ценность и может широко использоваться в практике проектирования водосливных плотин на нескальном

основании.

Библиографический список:

1. Бартеньев О.В. Современный Fortran. - М.: Диалог-МИФИ, 1988. - 397с.

2. Бартеньев О.В. Visual Fortran: новые возможности. - М.: Диалог-МИФИ 1999. -400 с.

3. Векслер А.В. Доненберг В.М. Переформирование русла в нижних бьефах крупных гидроэлекстростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.

4. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений. //Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 624 с.

5. Курбанова З.А. Разработка методики и программного комплекса для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин. Автореферат. - дГтУ, 2005 г.

6. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. В 2-х частях. Ч.2. Водосливные плотины. - М.: Агропромиздат, 1985. - 302 с.

Z.A. Kurbanova, I.A-G. Syleimanov, A.V. Magomedova

Method and program complex for calculations of optimum parameters of facilities of spillway front of low headed weirs

Because of the absence in normative documents of methods and recommendations for determining of specific economical consumptions of weirs and associated them parameters of facilities of spillway front, in design practices is used simplified and the approximate method of variant design, that requires in case of manual count of considerable work and time expenses. As result performed in recent years of research at the chair of hydraulic structures of DSTU, has been developed improved the method, algorithm and the computer program of specific economical consumptions of weirs on nonrocky foundation and associated the optimum parameters of bed of fall facilities, taking into consideration all basic structures of spillway front of damps spillway facilities on nonrocky foundation and processes of downstream scour dam.

Курбанова Зухра Адамовна

Область научных интересов - гидротехника, математическое моделирование Количество публикаций - 30

Магомедова Алла Витальевна

Область научных интересов - гидравлика, гидрология, математическое моделирование Колечество публикаций- 96

Сулейманов Ильяс Абдуллагаджиевич (р. 1951) заведующий кафедрой ГТС

Дагестанского государственного технического университета доктор технических наук

Область научных интересов - гидротехническое строительство

Кол-во публикаций - 128