Результаты исследования грунтовой переливной плотины со ступенчато-криволинейным низовым откосом

ВЕСТНИК г/2о12_

УДК 627.43

М.И. Бальзанников, М.В. Родионов

ФГБОУВПО «СГАСУ»

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВОЙ ПЕРЕЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ СО СТУПЕНЧАТО-КРИВОЛИНЕЙНЫМ НИЗОВЫМ ОТКОСОМ

Приведены результаты модельных гидравлических исследований грунтовой переливной плотины разработанной авторами конструкции, дана оценка гашения избыточной кинетической энергии сбрасываемого потока в пределах ее низовой грани.

Ключевые слова: переливная грунтовая плотина, крепление низового откоса, геосинтетические оболочки, пропуск паводка, крепление нижнего бьефа, результаты гидравлических исследований, модель плотины, гашение энергии.

Грунтовые плотины получили большое распространение из-за наличия в местах их возведения необходимых строительных материалов в достаточном объеме и сравнительно низкой их стоимости по отношению, например, к бетонным плотинам. Однако они обладают и существенным недостатком — через них невозможно пропустить паводковые воды с переливом через гребень без специального крепления низового откоса. Вместе с тем пропуск расходов воды через водоподпорное грунтовое сооружение по его гребню и низовому откосу в большинстве случаев, особенно при стесненном напорном фронте гидроузла, оказывается наиболее экономичным решением, а иногда и единственно возможным вариантом для обеспечения безаварийной работы объекта [1].

В связи с этим актуальным направлением исследований является совершенствование конструкций грунтовых плотин с целью использования их в качестве переливных подпорных сооружений и повышения их надежной работы во время пропуска паводковых вод, а также изучение гидравлических условий перелива водного потока по низовому откосу и его сопряжения в нижнем бьефе.

Поскольку грунтовые переливные плотины чаще всего применяются в составе низконапорных гидроузлов для создания водохранилищ небольшой емкости на малых или средних реках, к конструкциям креплений, защищающих их низовой откос от разрушения, на наш взгляд, должны предъявляться следующие основные требования: низкая стоимость, быстрота и легкость устройства крепления откоса, возможность демонтажа и ремонта элементов крепления.

Известно большое количество весьма многообразных конструкций креплений низового откоса грунтовых переливных плотин, обеспечивающих его защиту от разрушения при пропуске расходов воды переливом. Однако большинство из них обладают характерными недостатками: либо очень материалоемкие, так как требуют сильно распластанного профиля плотины (крепление камнем или камнем с омоноличиванием бетоном верхнего слоя), либо весьма трудоемки (ряжевые крепления из деревянных или железобетонных балок, применение габионов), либо предусматривают применение дорогостоящих элементов (железобетонных плит, омоноличевание откосов железобетоном или укатанным бетоном). Все эти конструктивные решения приводят к значительному удорожанию грунтовых переливных плотин.

На наш взгляд, указанные выше недостатки можно устранить, если использовать геосинтетические оболочки в качестве элементов крепления низового откоса. Такие оболочки представляют собой некоторые емкости из синтетического материала, предусматривающие возможность заполнения их грунтом или каким-либо другим материалом. Для изготовления геосинтетических оболочек используют воздухо- и водо-

проницаемые тканые геотекстильные материалы. Заполнение оболочек, как правило, производится через впускные рукава земснарядами в виде пульпы, вода при этом отводится через водопроницаемую поверхность оболочки. Возможно заполнение оболочек грунтом механическим способом, например с помощью экскаватора.

Поперечное сечение геосинтетических оболочек имеет сложную криволинейную форму и зависит от типа заполнителя, давления, создаваемого оборудованием для заполнения оболочек, а также от внешних воздействий. Форма оболочки, чаще всего, похожа на каплю воды, расположенную на горизонтальной гидрофобной поверхности.

Конструкция грунтовой переливной плотины с использованием геосинтетических оболочек разработана на кафедре природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного архитектурно-строительного университета [2]. Ее особенности:

грунтовое водоподпорное сооружение в пределах гребня плотины и сливного откоса укрепляется геосинтетическими оболочками, заполняемыми грунтом;

оболочки укладываются на заранее подготовленные горизонтальные площадки, расположенные в пределах низового откоса;

на контакте оболочек и грунта тела плотины с целью предотвращения вымывания частиц грунта фильтрационным потоком в теле плотины предусматривается укладка фильтра из нетканого геотекстиля;

в случае необходимости обеспечения устойчивости геосинтетических оболочек по их периметру может предусматриваться укладка армирующих сеток с анкерными устройствами, расположенными в теле грунтового сооружения.

Возможная схема предложенной конструкции приведена на рис. 1. Данная конструкция грунтового переливной плотины позволит устранить указанные выше недостатки по материалоемкости, трудоемкости и стоимости вследствие применения относительно недорогих геосинтетических оболочек, местных строительных материалов для заполнения оболочек, а также использования высокопроизводительного оборудования (например, земснаряда). Кроме того, конструктивное решение обеспечит выполнение требований по быстроте и легкости устройства элементов крепления откоса, технологичности их демонтажа и ремонта.

Рис. 1. Схема конструкции грунтовой переливной плотины: 1 — геосинтетические оболочки; 2 — фильтр из геотекстиля; 3 — тело водоподпорного сооружения; 4 — засыпка

Существенным отличием предложенной конструкции является наличие ступенчато-криволинейного низового откоса. Характер движения паводкового потока по такому откосу будет иметь специфические особенности по сравнению с использованием гладкого или ступенчатого откоса.

118

ПТ

Узш 1

ВЕСТНИК МГСУ

2/2012

С целью изучения влияния предложенной конструкции грунтовой плотины на гидравлические условия пропуска воды по низовому откосу плотины и параметры гашения энергии сбрасываемого потока авторами были проведены гидравлические исследования модели плотины со ступенчатым низовым откосом из криволинейных элементов. Оценивалось также влияние ступенчато-криволинейного низового откоса на параметры крепления нижнего бьефа.

Исследования проводились на гидравлическом лотке со следующими основными параметрами: длина рабочей застекленной части лотка — 5,6 м, ширина — 0,23 м и высота — 0,9 м. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. Подача воды в лоток осуществлялась насосом по подводящему трубопроводу. При проведении исследований в лотке устанавливалось критическое положение гидравлического прыжка путем регулировки уровня воды в нижнем бьефе с помощью поворотного затвора, установленного на концевом участке лотка. Для определения глубин воды, уровней свободной поверхности потока, параметров течения воды в лотке выбраны два створа: в верхнем и нижнем бьефах. Модели были выполнены в масштабе 1:20 и размещалась в средней части гидравлического лотка.

№1

2 3

И

№2

1? 00

А

56 ОЛ

6800

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — подводящий водовод; 2 — гасящие решетки; 3 — успокоительный бак; 4 — шпиценмасштаб; 5 — исследуемые модели; 6 — рабочая застекленная часть лотка; 7 — мерный пьезометр; 8 — поворотный затвор; 9 — сбросной водовод; № 1—2 — мерные створы

При моделировании гидравлических явлений были соблюдены требования геометрического, кинематического и динамического подобия. Критериальное уравнение подобия для открытого потока в общем виде записывалось как

f (Fr; Re; bi; b2... bn) = 0, где Fr и Re — критерии гидродинамического подобия соответственно Фруда и Рей-нольдса, определяемые по формулам

Fr = — и Re = —, gl v

где и — скорость потока в сходных точках; l — характерный геометрический размер; g — ускорение свободного падения; v — кинематический коэффициент вязкости; b1, b2, ..., bn — относительные геометрические характеристики системы.

С учетом соблюдения геометрического подобия условие моделирования гидравлических явлений в лотке было представлено в виде Fr = idem;

Re >^гр.

где Repp — граничное значение числа Рейнольдса.

В качестве граничного значения разные авторы принимают различные величины. Для подобных исследований открытых потоков обычно число Repp составляет величину 10000...20000 [3].

Указанные числа приняты в качестве граничного значения, определен диапазон величин минимального удельного расхода для подачи его на физические модели плотины. Величина минимального удельного расхода составила 10...20 л/(с'м). Все исследования на моделях были проведены при большем значении определенного минимального допустимого удельного расхода.

Выполнены исследования трех моделей грунтовых переливных плотин: с гладким низовым откосом, со ступенчатым низовым откосом из прямоугольных элементов и со ступенчато-криволинейным низовым откосом. В каждой модели предусматривались различные значения заложения низового откоса. На выполненных моделях коэффициенты заложения откоса т принимались равными 1, 2 и 3.

В мерных створах измерялась отметка поверхности воды и определялась глубина потока. Измерения повторялись не менее пяти раз, после чего определялось среднее значение измеренных величин. Глубина потока в зоне первой сопряженной глубины к1 определялась аналитически по формуле

/ = 0,5^2

i+-1

'2

где q — удельный расход потока на модели, м3/(с-м); к2 — вторая сопряженная глубина, м.

После обработки экспериментальных данных результаты исследований представлялись в виде графических зависимостей. В качестве независимого параметра был принят параметр q — относительный удельный расход, подсчитываемый как

- = q

где - — удельный расход потока, м2/с; Р — высота водосливного порога, м; Н0 — напор на гребне плотины, м.

Этот параметр используется многими исследователями [4] и характеризует зависимость между удельным расходом, высотой водосливного порога и напором на гребне водослива.

На рис. 3 представлены графики зависимостей относительной сопряженной глубины к = / (—) от принятого независимого параметра для каждой из исследуемых моделей при разных значениях коэффициента заложения низового откоса т = 1, 2 и 3.

Относительная сопряженная глубина определялась отношением: к = к2 /к1, где к1 и к2 — соответственно первая и вторая сопряженные глубины.

Анализ полученных результатов, а также сопоставление параметров потока воды в пределах низового откоса плотины, выполненного ступенчато-криволинейной формы, с параметрами, полученными на модели с гладким и со ступенчатым низовым откосом, показали следующее.

Во всем исследованном диапазоне относительных удельных расходов первая сопряженная глубина на плотине со ступенчатым и ступенчато-криволинейным низовыми откосами на 20.30 % больше, а вторая сопряженная — на 20.25 % меньше, чем на плотине с гладким низовым откосом. Причем с увеличением параметра — происходит уменьшение разности между сопряженными глубинами.

Также во всем исследованном диапазоне относительных удельных расходов относительные сопряженные глубины на плотине со ступенчато-криволинейным и ступенчатом низовым откосом меньше, чем на плотине с гладким низовым откосом. Причем эта разность уменьшается при росте относительных удельных расходов. В частности, для заложения низового откоса т = 1, 2 и 3 относительные сопряженные глубины на плотине уменьшаются соответственно с 8,0.15,0 до 5,0.8,0 (35.50 %), с 7,0.13,0 до 4,0.6,0 (40.55 %), и с 7,0.12,0 до 4,0.5,0 (45.60 %).

ВЕСТНИК МГСУ

2/2012

21 13 17 15 13 11 9 7 Б 3

1

/2

- /3

_

ч

0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19

а

ш

19 17 15 13 11 9 7

Б

3

1

4

0.03 0.05 0.О7 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19

ъ.

/2 3

003 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17

0.19

Рис. 3. Графики зависимостей к =Д ^ ) для моделей: а — при т = 1;

б — при т = 2; в — при т = 3; 1 — с гладким низовым откосом; 2 — со ступенчатым низовым откосом; 3 — со ступенчато-криволинейным низовым откосом

Следует отметить, что величины относительных сопряженных глубин на плотине со ступенчато-криволинейным откосом несколько меньше, чем на плотине со ступенчатым низовым откосом. Вместе с тем, полученные величины относительных сопряженных глубин существенно меньше, чем на плотине с гладком низовым откосом.

Полученные результаты указывают на то, что водослив со ступенчато-криволинейным и ступенчатым низовым откосом в сравнении с гладким низовым откосом обеспечивают получение меньших скоростей потока в сжатом сечении. Новое конструктивное решение грунтовых переливных плотин приводит к уменьшению относительной сопряженной глубины, а, следовательно, обеспечивает большую степень гашения избыточной кинетической энергии сбрасываемого потока в пределах низового откоса.

Полученные данные свидетельствуют о снижении гидродинамического давления на водобойную плиту и уменьшении длины гидравлического прыжка. Это, в свою оче-

редь, позволит уменьшить длину и толщину водобойной плиты, а, следовательно, затраты на крепление нижнего бьефа.

Следует также отметить, что с увеличением удельного расхода разница между относительными сопряженными глубинами на плотинах со ступенчато-криволинейным откосом и ступенчатым откосом сокращается, что показывает на уменьшение степени влияния ступеней из криволинейных элементов на степень гашения энергии сбрасываемого потока. Это можно объяснить тем, что при увеличении удельных расходов гидравлический режим движения сбрасываемого потока на ступенчатом низовом откосе из криволинейных элементов меняется с «перепадного» на «скользящий», при котором поток входит в режим транзитного потока, под ним в нишах между криволинейными гранями ступеней возникают замкнутые вихревые зоны (вальцы) с горизонтальной осью вращения. При этом на плотине со ступенчато-криволинейным откосом возрастают потери энергии за счет роста потерь энергии на трение.

Выводы. 1. Показана перспективность использования грунтовых плотин с низовым откосом, допускающим пропуск паводковых вод при строительстве низконапорных гидротехнических объектов местного значения. Приведены требования к конструктивным элементам крепления низового откоса таких плотин: низкая стоимость, быстрота и легкость устройства крепления откоса, возможность демонтажа, ремонта и повторного использования элементов крепления.

2. Разработана перспективная конструкция грунтового переливного водоподпор-ного сооружения, особенностью которой является использование для крепления низового откоса геосинтетических оболочек. В ней низовой откос выполняется ступенчато-криволинейной формы. Конструкция обладает преимуществами: экономией расходов на крепление низового откоса вследствие применения относительно недорогих геосинтетических оболочек, возможностью использования местных строительных материалов для заполнения оболочек, более низкой трудоемкостью возведения сооружения за счет использования высокопроизводительного оборудования и др.

3. Проведены гидравлические исследования модели новой конструкции грунтовой переливной плотины, которые показали, что гашение избыточной кинетической энергии сбрасываемого потока воды в пределах ступенчато-криволинейного низового откоса, по форме соответствующего откосу, выполненному из геосинтетических оболочек, на 35.60 % больше, чем на гладком низовом откосе, и практически не отличаются от параметров гашения избыточной кинетической энергии сбрасываемого потока воды на известном ступенчатом откосе. Это свидетельствует о хороших показателях гашения энергии на грунтовой плотине, разработанной в СГАСУ и использующей геосинтетические оболочки в качестве устройств крепления низового откоса.

Библиографический список

1. Правдивец Ю.П. Технико-экономическое обоснование строительства грунтовых водосливных плотин // Энергетическое строительство. 1982. № 10. С. 40—44.

2. Патент на изобретение РФ 2432432, МПК Е02В7/06 Переливная грунтовая плотина / М.И. Бальзанников, М.В. Родионов. Заявка № 2010126843, опубл. 2011. Бюл. № 30.

3. Леей И.И. Моделирование гидравлических явлений. Л. : ЭНЕРГИЯ, 1967. 236 с.

4. Родионов М.В. Исследования переливного грунтового водоподпорного сооружения с низовой гранью из геосинтетических оболочек // Строительство — формирование среды жизнедеятельности : сб. науч. тр. Четырнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов (Москва, 27—29 апреля 2011 г.). М. : МГСУ, 2011. С. 684—693.

Поступила в редакцию в феврале 2012 г.

Об авторах: Бальзанников Михаил Иванович — доктор технических наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой природоохранного и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194, (846) 242-17-84;

ВЕСТНИГ 2/2012_

Родионов Максим Владимирович — ассистент кафедры природоохранного и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», Россия, 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194, (846) 242 21-71, факс (846) 242-17-87, rodionov_max@mail.ru.

Для цитирования: Бальзанников М.И., Родионов М.В. Результаты исследования грунтовой переливной плотины со ступенчато-криволинейным низовым откосом // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 70—76.

M.I. Bal'zannikov, M.V. Rodionov

RESULTS OF THE RESEARCH OF THE EARTH-FILLED OVERFLOW DAM WITH A CURVING AND STEP-SHAPED DOWNSTREAM SECTION

Results of the model hydraulic research of the earth-filled overflow dam designed by the authors of this article are presented in the paper. The efficiency of the suppression of excessive kinetic energy of the discharged flow within the downstream section is also assessed in the proposed manuscript.

The potential efficiency of earth-filled dams with a downstream section giving way to floodwaters is also provided. The article presents the characteristics of structural elements applied to connect the downstream section of a dam, including its low cost, fast and simple installation and de-installation, problemfree repair and re-use of connection elements.

The pilot structure of the earth-filled overflow water-retraining structure has been designed. It is noteworthy for geosynthetic shells used to connect the downstream section. The downstream section is curving and step-shaped. Its strengths include the low cost of its connection due to the application of relatively inexpensive geosynthetic shells, the use of local construction materials to fill the shells in question, and lower labor intensity of its installation due to the use of high-capacity machinery.

The article also presents the results of the hydraulic research of the pilot model of the proposed structure. The research has proven that the suppression of any excessive kinetic energy of the discharged water flows falling onto the step-shaped and curving section or the step-shaped section the shape of which is similar to the one made of geosynthetic shells is more efficient that the suppression provided by the smooth section by 50 % to 60 %, and the above suppression is almost equal to the one provided by the well-known step-shaped section. This conclusion can serve as the proof of the high rate of energy suppression demonstrated by the earth-filled dam designed at Samara University of Architecture and Civil Engineering. The dam in question has geosynthetic shells that connect the downstream section to the body of the dam.

Key words: earth-filled overflow dam, downstream section, geosynthetic shell, flood pass, strengthening of the downstream reservoir, results of hydraulic research, dam model, energy suppression.

References

1. Pravdivec Ju.P. Tehniko-jekonomicheskoe obosnovanie stroitel'stva gruntovyh vodo-slivnyh plo-tin [Feasibility Study of Construction of Earth-filled Spillway Dams]. Jenergeticheskoe stroitel'stvo [Construction of Power Generating Facilities], 1982, Issue # 10, pp. 40—44.

2. Balzannikov M.I, Rodionov M.V. Patent for Invention RF 2432432, IPC E02B7/06 Earth-filled Overflow Dam. Application # 2010126843, published in 2011, Bulletin # 30.

3. Levi I.I. Modelirovanie gidravlicheskih javlenij [Modeling of Hydraulic Phenomena]. Leningrad, Jenergija, 1967, 236 p.

4. Rodionov M.V. Issledovanija perelivnogo gruntovogo vodopodpornogo sooruzhenija s nizovoj gran'ju iz geosinteticheskih obolochek [Research of the Overflow Water Retraining Structure with a Downstream Section Made of Geosynthetic Shells]. Construction as Formation of the Environment, 14th International Conference, collection of works, pp. 684—693.

About the authors: Bal'zannikov Mihail Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Nature Protection and Hydraulic Engineering Structures, Rector, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, 194 Molodogvardejskaja St., Samara, Russia, 8 (846) 242-17-84;

Rodionov Maksim Vladimirovich — Assistant Lecturer, Department of Nature Protection and Hydraulic Engineering Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering, 194

Molodogvardejskaja St., Samara, Russia, rodionov_max@mail.ru, 8 (846) 242-21-71.

For citation: Bal'zannikov M.I., Rodionov M.V. Rezul"taty issledovanija gruntovoj perelivnoj plotiny so stupenchato-krivolinejnym nizovym otkosom [Results of the Research of the Earth-Filled Overflow Dam With a Curving and Step-shaped Downstream Section], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 70—76.