Программный комплекс для гидравлических расчетов оптимальных параметров сооружений флютбета водосливных плотин на нескальных основаниях

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СООРУЖЕНИЙ ФЛЮТБЕТА ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН НА

НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ

З.А.Курбанова

Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

На сегодняшний день в гидротехнике нет каких-либо точных методик и рекомендаций для определения удельных экономичных расходов водосливных плотин и соответствующих им параметров сооружений водосливного фронта (флютбета), с учетом всех сопутствующих сооружений флютбета. Наиболее распространенным в практике проектирования и гидротехнического строительства методом определения q3K. является

метод, основанный на зависимости суммарной стоимости CT затрат на тело плотины, устройств нижнего бьефа (водобойная плита, рисберма) и приращиваемой части грунтовой плотины, примыкающей к водосливной, от удельных расходов q водосливных плотин.

Расчетная схема данного метода, в которую входит водосливная плотина, водобойная плита (или колодец) и рисберма, является весьма упрощенной, так как в водосливной фронт низко- и средненапорных гидроузлов на нескальном основании, как правило, входят: водосливная плотина, являющаяся элементом подпорного фронта гидроузла и сооружения, состоящие из устройств, относящихся к сопряжению бьефов и гашению избыточной энергии водосбросного потока - это концевые участки водосбросов, устои, быки, понур перед плотиной, водобойные сооружения, рисберма, концевое крепление за рисбермой, а также участок неукрепленного русла от концевого крепления до створа с условиями течения, близкими к бытовым. Данный метод расчета q является приближенным и при ручном счете

требует значительных трудовых и временных затрат для гидравлического расчета плотины и сопутствующих сооружений, расчета параметров всех сооружений, их объемов, стоимости и т.д. Поэтому во многих случаях расчетную величину q чаще всего назначают на основании практики строительства таких плотин на нескальном основании.

В результате проводимых в последние годы исследований на кафедре Гидротехнических сооружений ДГТУ, была разработана усовершенствованная методика и алгоритм расчета 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. Укрупненная блок-схема алгоритма расчета приведена на рисунке 1.

В результате программной реализации данного алгоритма разработан программный комплекс для расчета оптимальных параметров основных сооружений водосливного фронта низконапорных водосливных плотин на нескальном основании, с учетом общего размыва русла реки и понижения уровня воды в нижнем бьефе. Комплекс состоит из 29 основных и 8 вспомогательных процедур (подпрограмм, модулей и функций).

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_1 - 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_1 -

подпрограмма расчета водобойной плиты без специальных гасителей; Уёр_2 - подпрограмма расчета водобойной плиты с реактивными гасителями; ¥\й - подпрограмма-функция расчета толщины плиты при наличии на водобое гасите лей энергии;

Рис.1 - Укрупненная блок-схема алгоритма расчета оптимальных параметров сооружений водосливного фронта плотин на нескальном основании

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; Apronfromstone - подпрограмма расчета рисбермы, выполненной из камня; Scour_pit -подпрограмма расчета глубины ямы размыва за рисбермой; Velocityl и Velocity_2 -подпрограммы расчета допускаемой неразмывающей скорости потока для несвязных и связных грунтов; Endstrength - подпрограмма расчета концевого крепления; Fds -подпрограмма-функция расчета диаметра камня наброски; 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; Sediment - подпрограмма расчета транспорта руслоформирующих наносов. Вспомогательными подпрограммами являются: Fixed_weir_inp - подпрограмма ввода исходных данных в основную программу Fixed_weir; Fixed_weir_out - подпрограмма вывода в текстовые файлы результатов расчетов; Fall_velocity - модуль данных о гидравлической крупности наносов; Lint - подпрограмма линейной интерполяции; Direct_func_iter -подпрограмма использования метода итерации для нахождения аргумента прямой функции по заданному ее значению; Reversjfuncjter - 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.

Программа написана 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. 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.

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 % отклонения

^ ^ 2 Удельный экономичный расход , м/с ... 43,7 41,85 5,3

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

Число водосливных отверстий (пролетов) Мпр 26 26 0

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

Толщина водобойной плиты Ттд, м............... . 4,5 4,5 0

Длина водобоя Ьеод, м................................ 55 63 14

Длина рисбермы £ , 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) N ... 24 24 0

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

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

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

Длина рисбермы £ , 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. Курбанова З.А. Разработка методики и программного комплекса для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин. Автореферат. - ДГТУ, 2005 г.