Совершенствование конструкций, расчетного обоснования и эксплуатационной надежности вихревых шахтных водосбросов высоконапорных гидроузлов

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодняшний день в мире каждый год происходит множество аварий на гидроузлах, из них 35% аварии происходят за счет перелива воды из водохранилища по техническим отказам водосбросных сооружений4. Крупные катастрофические аварии плотин произошли в США, Франции, Италии, Бразилии, Южной Корее и других странах. В практике гидротехнического строительства при напорах более 100 м и скоростях движения потока, достигающих 50...60 м/с в отводящем туннеле наблюдается увеличение гидродинамической нагрузки, кавитационная эрозия и разрушение конструкции крепления нижнего бьефа в результате недопустимых размывов дна. Поэтому, при проектировании и строительстве высоконапорных гидроузлов, особое внимание уделяется обеспечению надежной и безопасной их работе, применению закрученных потоков, когда одновременно можно погасить избыточную энергию потока внутри отводящего тракта и защитить его от кавитационного разрушения, созданию глубинных водосбросов для пропуска катастрофических расходов. В Узбекистане для ирригации в широком масштабе осуществляются мероприятия по эффективной организации эксплуатации и реконструкции водохранилищ. В этом направлении, том числе, на 2013-2017 гг. предусмотрено строительство и реконструкция 8 селеводохранилищ объемом 40 млн. м3, усовершенствование конструкций5 сооружений, обеспечение надежной и безопасной их работы, улучшение пропускной способности и режима работы водосбросных сооружений, усовершенствование разработки механизмов их эффективной эксплуатации. В мире отдельное внимание уделяется на усовершенствование конструкций и основ расчетного обоснования, на определение надежности в эксплуатационные периоды шахтных вихревых водосбросов высоконапорных водохранилищных гидроузлов. В этой области осуществление целенаправленных научных исследований является приориретными задачами, в том числе, научные исследования в следующих направлениях: разработка математической модели закрученного потока дисперсной смеси в полуограниченной цилиндрической трубе вихревых шахтных водосбросов в условиях воздухозахвата; разработка методики гидравлического расчета вихревых водосбросов в условиях воздухозахвата; разработка программы на ЭВМ по расчету распределения эпюр скоростей, давления и полной удельной энергии закрученного потока в условиях воздухозахвата; разработка нового устройства гашения энергии в отводящем тракте; определение влияния концентрации воздуха и конструкции отводящего водовода на структуру и гашение энергии закрученного потока; разработка методов оценки эксплуатационной надежности вихревого шахтного водосброса. Диссертационное исследование в определенной степени служит осуществлению задач, предусмотренных в Указе Президента Республики Узбекистан УП-2272 от 24 марта 1999 года «Организация Государственной инспекции по надзору технических состояний крупных и особо важных водохозяйственных объектов при Кабинете Министров Республики Узбекистан»; постановление №499 Кабинета Министров от 16 ноября 1999 года «О мерах по реализации закона Республики Узбекистан «О безопасности гидротехнических сооружений», №150 от 30 марта 2004 года «Об организации Ташкентского института ирригации и мелиорации», а также в других нормативно-правовых документах, принятых сфере. Целью исследования является совершенствование конструкций, основ расчетного обоснования и разработка методов оценки эксплуатационной надежности вихревых водосбросов с тангенциальными завихрителями, работающих с интенсивным захватом воздуха через шахту. Научная новизна исследования заключается в следующем: разработана методика гидравлического расчета вихревых водосбросов в условиях воздухозахвата; определено значение гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя и закрученного потока; разработано новое устройство гашения энергии в отводящем водоводе; обосновано влияние концентрации воздуха и конструкции отводящего водовода на характеристики и гашения энергии закрученного потока; составлены сценарии аварий безотказной работы, а также разработан метод оценки эксплуатационной надежности вихревого шахтного водосброса. выводы Результаты проведенных исследований докторской диссертации на тему: «Совершенствование конструкций, расчетного обоснования и эксплуатационной надежности вихревых шахтных водосбросов высоконапорных гидроузлов» следующие: 1. Разработана математическая модель аэрированного закрученного потока в полуограниченной цилиндрической трубе в вихревых шахтных водосбросах с тангенциальными завихрителями в условиях воздухозахвата. Уравнение движения сформулировано по критериям подобия чисел Фруда, Эйлера и Рейнольдса, что даёт возможность определять и проектировать сооружения и параметры потока в широком масштабе. 2. Определено, что осевые uz и тангенциальные ио скорости закрученного потока на радиусе туннеля 0,2....0,32г достигает максимума, уменьшается к оси туннеля большим, а к стенки, меньшим градиентом. Значения давлений и удельной энергии в закрученном потоке показывает понижение их в центральной приосевой зоне, вплоть до вакуума, к периферии потока они нарастают с градиентом, равным центробежному ускорению, при этом на стенках водовода может иметь место значительное избыточное давление, препятствующее развитию кавитационных явлений. 3. Усовершенствована методика гидравлического расчета вихревых водосбросов в условиях воздухозахвата. Разработанные программы для ЭВМ (DGU 03451, DGU 03452) рекомендуются при проектировании вихревых водосбросов. Эти программы дают возможность быстро и достаточно точно проанализировать структуру потока и гидравлические характеристики потока в высоконапорных вихревых водосбросах, в том числе, дать оценку кавитационного условия и определить гидравлические потери. 4. В вихревых шахтных водосбросах в условиях воздухозахвата в тангенциальном завихрителе гасится 31^-45%, в отводящем водоводе 39-М5%, а в месте завихритель-водоводе 7€Н-90% энергии перед завихрителем. 5. Определены закономерности распределения эпюр скоростей, давления и удельной кинематичной энергии в закрученном потоке и гидравлические сопротивления тангенциального завихрителя и закрученного потока в условиях воздухозахвата. При этом наблюдается увеличение гидравлического сопротивления тангенциального завихрителя, диапазон изменения £з.у составляет от 0,42 до 0,6. В отводящем тракте с увеличением воздухозахвата из шахты гидравлическое сопротивление в закрученном потоке увеличивается, что позволяет определить интенсивность гашениея энергии. 6. Разработано новое устройство гашения энергии в отводящем водоводе (№ FAP 01104). При этом параметры конфузора следующие: угол конусности по вертикали а=5,470, в плане а=2,740, длина конфузора /=3.85 dm (dul - диаметр шахты). 7. Теоретический расчет профилей тангенциальных, осевых скоростей, а также давления и удельных энергий проверен сопоставлением с экспериментальными профилями, полученными при исследованиях закрученных потоков на лабораторной установке. Получено удовлетворительное совпадение опытных и теоретических расчетов параметров закрученного потока. 8. Выбор типа водосброса с закруткой потока зависит от конкретных условий гидроузла и требуемой степени гашения избыточной кинетической энергии потока. Созданное новое устройство гашения энергии в отводящем водоводе применяется при меньшей относительной длине отводящего водовода 20...30 <l/d< 50...60 и круглой, подковообразной или корытообразной формой поперечного сечения. 9. Разработан приближенный метод оценки надежности шахтных и вихревых водосбросов на этапе эксплуатации при анализе статистики аварий водосбросных сооружений, а также при расчетном обосновании работы его отдельных элементов, выполненных с использованием как вероятностных, так детерминистических методов расчета. 10. Для строительства Тупалангского водохранилища предложенный вариант дает экономию больше 40% капитальных вложений. Причем годовой экономический эффект от использования вихревого водосброса для Тупалангского водохранилища составляет 6,5 млрд, сум (в ценах 2015 года).