Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Разработка и исследование стабилизаторов расхода воды для каналов с бурным и сверхбурным режимами течения

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование стабилизаторов расхода воды для каналов с бурным и сверхбурным режимами течения"

Министерство образования и науки Кыргызской Республики

КЫРГЫЗСКИЙ ОРДЕНА «ЗНАК ПОЧЕТА» СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ им. К. И. СКРЯБИНА

РГБ ОД

На правах рукописи

ЖУСУПОВ Матраим Колдошович

УДК 626. 824

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ РАСХОДА ВОДЫ ДЛЯ КАНАЛОВ С БУРНЫМ И СВЕРХБУРНЫМ РЕЖИМАМИ ТЕЧЕНИЯ

Специальность 06.01. 02 — мелиорация и орошаемое земледелие

А вторефера т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БИШКЕК 1994

министерство ОБРАЗОВАНИЯ И НШИ КЫРПШГОЙ РЕСПУБЛИКИ

. КНРГШСШ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВШНЙ ШСШТУТ ИМЕНИ К. И. СКРЯБИНА

На правах рукописи ЕУСУГОВ ИАТРШ КОДОШВИЧ

УДК 626.824

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ РАСХОДА ВОДЫ ДЛЯ КАНАЛОВ С БУРНЫМ И СВЕРХВУРНШ РШШШ ТЕЧЕНИЯ

Специальность 06.01.02 - мелиорация и орошаемое

земледелие

АВТОРЕ®ЕРА Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1994

Работа выполнена а Кыргызской ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте им. К.И.Скрябина.

Научные руководители член-корреспондент РАСХК и НАНКР

Ведущая организация Проектно-конструкторский,

технологический институт "Водоавтоматика и метрология"

Защита состоится " 23 "ноября 1994 г. в Т О часов

на заседании специализированного совета Д.06.93.10 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Кыргызском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственном институте имени К.Й.Скрябина ( 720453. ГСП, г .Бишкек, ул.Медерова, 68 ).

С диссертацией ыожчо ознажавггъся в библиотеке Кыргызского сельскохозяйственного института

Автореферат разослан " " спст^БУиД 1994 года

Ученый секретари специализированного совета кандидат технических

доктор "технических наук, профессор Я.В.БОЧКАРЕВ ;

кандидат технических наук, доцент Н.Д.ЛАВРОВ

Официальные олпоненты академик НАНКР

доктор технических наук, профессор З.Э.МАКОВСКИЙ

каедадат технических наук, доцент А.И.РОХШШ

доцент

Н.П.ЛАВРОВ

ОБЩАЯ

РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях наука все больше превращается б непосредственную производительнуп силу. Она является иощним средством в развитии и сельского хозяйства.

На нынешен этапе развития экономики Кыргызской Республики значительное внимание уделяется совершенствованию различных объектов сельского хозяйства на новом тэхничэеком уровне с цельэ резкого повышения их эффективности.

В развитие, сельского хозяйства, в решении проблем продовольственной и энергетической независимости, огро;.шуо роль играет водное хозяйство и мелиорация. Широяое развитие мелиорации, рост орошаемых площадей выдвигает в число первостепенных проблему ресурсо-и онергосберекения, интенсификации производства, развития научно-технического прогресса. Это особенно актуально в связи с переходом к рыночной эксномике. В этой связи, как никогда остро поставлены вопросы поиска путей экономии води, энергии, трудоресурсов, рационального использования земельных и водных ргсургоз, что моа-но достичь техническим совершенствованием орссительнух скстом, поиском рзсурсо- и энергосберегающих технологий, матоДси и срэдстз их реализации, автоматизации гидромелиоративных Объектов и систем. Это особенно ваяно для ведущих регионов орооавиого аеияеделая» как в Кыргызской Республике, так и в целом в Средней Азии и Казахстане, где основной валовый продует сельского хозяйства получаг* а орошаемых земель, Наприазр, в Кыргызской Республика с.ороиаеИЖС земель получают более 50 % всей продукции полеводства.

В свете вышесказанного, наибольшую актуальность приобретает интенсификация орошаемого земледелия, одним" из основных направлений в развитии которого пвлязтея строительство новых а рзконгтрук*-ция суцеетвушцих гидромелиоративных систем с применением энерго-и ресурс осберегдацих тзхнологий на основе ноютлекской автоматизации технологических процессов. Здесь не.менее важной задачей является совершенствование водораспределительных сооружений.

В республиках Средней Азр, Казахстана и Закавказья преобладающими является оросительные системы горно-предгорной зоны, отличающихся большими уклонами, скоростями течения, запасами гидравлической энергии потока и др.. С цолмэ комплексного и рационального

использования водных ресурсов на этих системах строительство каналов сопровождается устройством на них турбин для выработки электроэнергии. Поэтому забор воды из каналов горно-предгорной :оны требует разработки специальных водовндусков-стабилизаторов, обеспечивающих плановый и стабильный отбор воды» независимо от режима течения воды.

На сегодня самое широкое распространение на системах горнопредгорной зоны Кыргызской Республики получили водовьгдуеки-стаби-лизаторы донного типа.

На каналах горно-предгорной зоны наряду с бурным режимом течения наблюдается и сверхбурвдй ( волновой ) режим течения. Такой режим работы, как показывает опыт эксплуатации названных сооружений значительно осложняет их работу и требует разработки новых более совершенных и надежных конструкций водовыпусков-стабилизаторов расхода, позволяющих совместить функции стабилизации водоподача и водоучета независимо от режима течения воды в основном канале.

На сегодня разработано и предложено множество различных водовыпусков-стабилизаторов расхода воды донного типа. Вместе с этим, как показывает практика эксплуатации, опыт проектирования, несмотря на имеющийся солидный банк средств стабилизации, производство не располагает еще достаточно эффективными, надежными конструкциями стабилизаторов. Широкое их применение сдерживается йз-за того, что у многих новых конструкций отсутствует методика инженерного расчета, а также обоснованные оптимальные параметры.

Бее это выдвигает в число актуальных и первостепенных вопросы дальнейшего совершенствования средетв стабилизации, что предопределило направление наших исследований.

Цель работы заключается в разработке и. исследовании новых, усовершенствований: конструкций систем стабилизации расхода вода, как средств автоматизации водопадами из каналов с бурным и сверхбурным режимами течения, позволяющих обеспечить требуемую пропускную способность, высокую степень стабилизации и водомерность, независимо от колебаний уровня вода и режима течения в основном канале, улучшать эксплуатационные характеристики, повысить надежность работы водовыпускных сооружений донного типа на каналах-быстротоках.

Научная новизна. На .основании обзора и анализа существующих еодовыпусков-стабилизаторов расхода воды, их конструктивных особенностей и технологических характеристик доказана необходимость усоЕерпенстЕОвания водовыпусков-стабилизаторов расхода воды для быстротечных каналов, сформулированы технические условия и требования к средствам стабилизации.

Выполнено технологическое обоснование и разработаны компоновочные схемы Еодовнпусков, автоматизированных предложенными стабилизаторами расхода. .

Разработаны усовершенствованные конструкции водовыпуска-стабилизатора расхода,води типа "ВСРЕК", работающие в условиях бурного и сверхбурного режимах течения.

Экспериментально и теоретически обоснованы формы и параметры элементов водовылусков-стабилизаторов, обеспечивающих требуемую пропускную способность и качество стабилизации.

Получены теоретические зависимости и экспериментально выявлены количественные связи мевду конструктивными и гидравлическими параметрами содовыпусков-стабилизаторов расхода воды.

Экспериментально доказано, что применение нового, специального устройства - преобразователя сверхбурного волнового потока з бурностремитсльный, обеспечивает волногашение, нейтрализует влияние катящихся волн на процесс стабилизации и оказывает совместное стабилизирующее действие. •

Получены водомерные характеристики предлолонккх гг,д"рчпус-ков-стабилизаторов расхода воды.

Разработана методика инженерного расчета водошпускоз-стабилизаторов типа ВСРБК-1 и ВСРБК-2.

Практическая ценность. Предлагаемые системы стабилизации расходов волы позволяет докные водовыпуски из быстротечных каналов путем их незначительной реконструкции превратить в автоматические водовкпуски-стабилизаторы водомера расхода. Стабилизация расхода воды путем дросселирования ( посредством козырька на щите в сочетании с криволинейным" козырьком в колодце ) по определенному закону (обратно пропорционально •¿Яд) обеспечивает, устойчивую стабилизацию водоподачи и надежную работу. Использование- предлагаемых устройств позволяет выполнять водовыпуски-стабидизаторы расхода в саде моноблоков серийно. Применение водовыпусков-стабилизаторов рас-

хода позволят сэкономить только за счет совмещения функций стабилизации и водоучета, и как следствие исключение водомерных устройств и сооружений - не менее 20 % капитальных затрат, стабилизация водоподачи - сократить непроизводительные потери вода не менее 10 % объема стока, по сравнению с существующими обыкновенными донныш всдовылускаыи.

Реализация работы. Результаты разработок и исследований внедрены в проект строительства водовыпуска в акведук через рзку "¡Дам-си" из канала "Новый" Чуйского района Чуйской области Кыргызской Республики. Расчетный экономический эффект от водовыпуска-стабили-затора расхода воды составил 58,7 тыс.руб/год ( цены 1991 года).

Результаты работ по теме используются в дипломном проектировании студентов Кнрг.СХИ ( 1992-94 гг.).

Кроме того, разработаны рабочие чертежи предлагаемых устройств и вместе с типовой методикой переданы Ыинводхозу Кыргызской Республики .

Апробация работа и публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы докладывались на научно-технических конференциях Кыргызского ордена "Знак Почета" сельскохозяйственного института им.К.И.Скрябина в 1992-1994 гг., на расширенных заседаниях кафедры гидравлики и автоматики Кыргызского СХИ, научно-технических советах отраслевой лаборатории автоматизированных систем управления в мелиорации Кыргызского СХИ.

Публикации. По тгме диссертации опубликовано.7 научных работ, из которых I полозсительное решение по заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 237 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав и основных выводов, иллюстрируется 31 рисунками, содержит 22 таблица и 6 приложений. Библиография включает 81 литературных источников.

СОДЕШНИЕ РАБОШ

В первой главе диссертационной работы дана характеристика и особенности каналов и сооружения водоподачи оросительных систем горно-предгорной зоны. Обобщая и анализируя рассмотренные особенности каналов-быстротоков и водораспределительных сооружений на

них, сформулированы основные технические условия «„требования к средствам стабилизации расходов вода на водовыпусках из каналов с бурным и сверхбурным режимами течения.

В соответствии с основными техническими условиями и требованиями проведен-обзор и анализ существующих конструкций водовы-пусков и стабилизаторов.

Как известно, на каналах горно-предгорной зоны могут наблюдаться как бурный, так и сверхбурный режимы течения. Анализ разработанных к настоящему времени сооружений водоподачи из каналов-быстротоков показывает, что в них использованы следующие два технических решения: I). осуществление гашения энергии всего потока, протекающего в основном канале, и забор незначительной его части из зоны со спокойным течением; 2) послойное ( донное ) деление только той части расхода, которая подлежит отводу.

Опираясь- на эти подходы решения задач, многие специалисты ближнего {^дальнего зарубежья и в том числе в Кыргызской Республике - Н.Ф.Данелия, Г.Б.Руруа, В.Г.Микаелян, К.И.Арсенишвили, О.Г. Натишвили, Ш.С.Бобохидзе, Л.П.Кикнадзе, Б.И.Синяков, Н.Н.Шведова, Г.В.Соболин, Я.В.Бочкарев, А.СЛуговой, Н.П.Лавров, Э.Б.Бекбоев, Р.С.Бекбоева, Р.И.Баталов, Б.З.Беркалиев, Б.А.Афанасьев, А.И.Авдеев, С.С.Сатаркулов, П.И.Андреев, А.Акимаанов, М.Й.Голубенко, сотрудники проектных институтов Трузгипроводхоз", "Казгипроводхоз", "Узгипроводхоз", "Кыргызгипроводхоз", в Болгарии - Й.Цонев и X. . Христов, в Турции - Турхан Акатай и другие создали ряд оригинальных конструкций водовьшусков и стабилизаторов, благодаря которым в настоящее время осуществляется забор и стабилизация расходов воды из каналов с большими уклонами. На основании анализа разработок вышеуказанных авторов выявлены конструктивные особенности, основные достоинства и недостатки существующих на .сегодняшний день систем стабилизации расходов воды из каналов горно-предгорной зоны н ' дана оценка возможности применения их на каналах с бурным и сверхбурам режимами течения........' ' .

Проведенный обзор и анализ существующих водовыпусков и стабилизаторов расхода воды показал, что они не в полной мере отвечают предъявляемым к ним техническим условиям и требованиям. По-:" пытки применения водовыпусков-стабилизагоров, разработанных для бурного режима течения, на волновых каналах-быстротоках^не дали

желаемого результата. Указанные сооружения, устраняя отрицательные явления, сопряженные с вмешательством в сверхбурный поток пре- • пятствий, не решают главную задачу - стабилизацию водоподачи и при этом порождают отрицательные явления. В настоящее время очень мало разработок по стабилизации водоподачи из каналов-быстротоков со сверхбурным режимом течения. Имеющиеся единичные решения отличаются низкой степенью стабилизации, конструктивной сложностью, а также для них отсутствуют методики инженерного расчета и обоснованных оптимальных гидравлических и конструктивных параметров.

Исходя из изложенного, был сделан вывод о необходимости разработки и исследования более совершенных водовыпусков-стабилизаторов расхода воды способных работать в условиях как бурного, так и СЕерхбурного режимах течения, позволяющих совместить функции волно-гашения, водоподачи, стабилизации и водоучета, а также исключить недостатки существующих систем стабилизации и сооружений водоподачи из каналов-быстротоков.

Во второй главе рассмотрены основные технологические принципы автоматизации водоподачи из каналов-быстротоков.

Отмечено, что в основе функционирования стабилизаторов расхода воды, как устройств не имеющих подвижных в работе частей,лежит технологический принцип автоматизации регулирования водоподачи за счет использования гидравлических свойств потока. Этот принцип универсален и достаточно эффективен, он позволяет осуществить требуемый закон изменения "регулируемой величины (О.оть ) путем использования конструктивных особенностей системы -автоматического регулирования С САР ): водовыпускное сооружение - стабилизатор расхода.

Рассмотрены технологические основы автоматизации водоподачи из каналов горно-предгорной зоны системами стабилизации расходов воды.' Описана технология эксплуатации водовкпусков-стабилизигоров расхода, предусматривающая следующие технологические режимы:

- первичное поступление воды к регулирующим устройствам;

- стационарный режим работы водовыпуска-стабилизатара;

- режим работы устройств при наличии влекомых наносов и плавающих предметов;

- аварийный режим работы водовыпускного сооружения.

Рассмотрена работа водовыпуска в каждом из перечисленных тех-

нологических режимов.

Согласно принятой технологии эксплуатации водовыпускных сооружений, рассмотрены технологические схемы автоматизации водоподачи из каналов-быстротоков. На каналах горно-предгорной зоны в силу особенностей как объектов автоматизации ( большие уклоны и скорости течения, бурный и сверхбурный режим течения, малые аккумулирующие емкости объектов водораспределения, малая инерционность процесса и др.) наиболее предпочтительно автоматизацию водораспределения осуществлять схемой регулирования непосредственного отбора, постоянных расходов веды потребителям.

Схема автоматизации водораспределения ( CAB ) здесь с достаточной для практики точностью может быть принята практически безынерционной и в качестве математической модели оперативного планирования и управления водораспределением принимается уравнение баланса расходов :

Q= ( i )

где Q - расход в голове подводящего канала быстротока;

Ql - расходы водовыпусков, стабилизируемые средствами стабилизации;

Qn - расход по'терь воды на фильтрацию и испарение;

Qj.- дополнительный расход, поступающий в канал-быстроток;

Qtp- транзитный расход, т.е. расход, пропускаемый за пределы рассматриваемого участка канала.

Исходными для решения задач планирования и управления водораспределением являются план водоподачи, параметры CAB, данные циклического опроса состояния CAB. По данным опроса рассчитывается уравнение баланса С I ). Далее по плану водопотребления определяют расхода водоподачи в отводы и по транзиту за пределы канала-быстротока. Эти расходы сравнивают с фактическими и определяют потребности системы в дополнительной подаче или отказе тем или иным потребителям. При дополнительной потребности в расходе воды в голове дается команда на прибавку, разумеется, если водозабор ее обеспечивает. Если нет, то по фактическому расходу водозабора определяется расход потребителей, и если появится дефицит в расходе, то вводится принцип приоритета потребителей, т.е. обеспечиваются водой отводы, подающие воду на важнейшие культур! и др. Далее определяют время . нанесения управляющего воздействия на конкретный водовыпуск, находящийся на расстоянии £ от головного створа. Применительно к CAB

на канал ах-быстротоках время добегания tg дополнительного расхода из донного годавыпуска определяется по формуле

tjcü , i Z)

где Ce - скорость движения волны от приращения расхода AQ , без значительного ущерба точности расчета эту величину можно определить по формуле - r—r—i

с* V2&ho' , (3)

где - средняя скорость потока до наложения управления, определяется как отношение Q /со С ю - площадь живого сечения потока );

Но - первоначальная глубина ( до наложения управления ) наполнения ( определяется по результатам измерения или вычисления по формуле равномерного движения ). .

Наложение управляющего воздействия на конкретный водовыпуск осуществляется через время "t j, , отсчитываемое с момента наложения управления на водозаборное устройство.

На основе вышеуказанной технологической схемы автоматизации сформулирована задача разработки новых конструкций водовыпусков-стабилизаторов, у которых задаваемый расход стабилизации есть линейная функция от открытия, т.е. GU = С-СЦ'

Для репенля поставленной задачи предложена' схема реализации способа регулирования непосредственного отбора постоянных расходов с помощью разработанных нами конструкций водовыпусков-стабилизато- . ров расхода воды.

Исходя из принятпс условий и требований разработаны компоновочные схемы водовыпускных сооружений из быстротечных каналов, автоматизированных усовершенствованными стабилизаторами расхода воды и даны рекомендации по их конструированию.

В третьей главе на основе предыдущих разделов диссертации, дается описание, конструктивное обоснование, принцип действия и схемы работы предложенных деух конструкций водовыпусков-стабили-заторов расхода из быстротечных каналов ( ВСРБК-I и ВСРЕК-2 ).

Водовыпуск-стабилизатор расхода типа ВСРБК-I (рис. I ) состоит из канала I, в дне которого выполнен колодец 2, имеющий щит 3 с горизонтальной осью вращения 4, козырька 5 и решетки 6. Щит снабжен приводом 7. На конце щита 3 выполнен"наклонный козырек 8. Колодец снабжен вогнутой пластиной ( криволинейный козырек ) 9. Из колодца 2 вода поступает в отводящий канал 10.

Работа устройства осуществляется следующим образом ( рис Л ).

РиС. I. Схема водоБЫпуска-стабилизатора для бурного режима течения ( "

Узел А. Решетчатая плита -

преобразователь волнового поток*

Рис. 2. Схема водовдпуска-стабилиза;гора расхода для сверхбурного режима течения ( ВСРБК-2 )

Для подапи заданного расхода Оать щит 3 устанавливается на открытие О. | соответствующее О.оть = С -О. « еде С - постоянная • водошпуска-стабилизатора. По мере поступления расхода канал I вода начинает поступать через отверстие в дне канала, перекрытое решеткой б. По мере увеличения расхода сверх заданного часть расхода пойдет через решетку 6 по.транзитному каналу. При этом возрастает напор истечения Но. С увеличением напора истечения увеличивается сжатие потока, истекающего из-под щита 3 с козырьком 5 по зависимости £ = С//Нз' , что ведет к уменьшению коэффициента расхода водовыпуска обратно пропорционально х/Яр. За счет этого обеспечивается стабилизация расхода, подаваемого в водошпуск.

С целью расширения возможности,работы стабилизатора первой модификации и в условиях волнового ( сверхбурного ) режима потока был предложен ( рис. 2 ) новый водовыпуск-стабилизатор расхода из быстротечного канала ( ВСРБК-2 ). Данный водовыпуск-стабилизатор отличается от предыдущего тем, что вместо решетки, установлена решетчатая плита - преобразователь сверхбурного потока в бурноетре-мительный ( рис. 2, узел А ). Она выполнена из плоских горизонтальных, поперечных пластин II, имеющих убивающую по течению ширину и образующие между собой прорези 12, с возрастающей по течению площадью, причем пластины II в верхней половине плиты располагаются горизонтально, а пластины 13 в нижней части плиты - с наклоном • против течения. Пластины II и 13 привариваются к рама 14, шарнлрно закрепленной на оси А-

Работа устройства осуществляется следующим образом. Нижняя часть волнового потока в быстротечном канале I, поступая на решетчатую плиту ( узел А ), последовательно отсекается пластинами II и 13 и через прорези 1Й направляется в колодец 2 равномерными по ширине колодца порциями, благодаря тому, что высота волны в результате происходящего отбора воды понижается по течению, а площадь прорезей 12 увеличиваемся. При этом площадь прорезей 12 по длине плиты изменяется по той же закономерности, по которой происходит изменение напора при продвижении фронта волны. Таким образом, при постоянном расходе в голове подводящего быстротечного канала I обеспечивается постоянный на единицу ширины колодца 2 удельный расход поступления на цкт 3, соответствующей некоторому напору над козырьком 8, Для подачи заданного расхода От в отвод 10, щит 3 устанавливается на определенное открытие £2. а дальнейший про-

цесс стабилизации происходит как у предыдущей конструкции.

Как видно иЭ вышеизложенного, принцип действия предложенных стабилизаторов основан на изменении коэффициента расхода истечения обратно пропорционально х/Н^1- действующему напору истечения. Действительно расход истечения раген :

Оотв = Н у1 = • в • а ,/2д • Н= С - а« сог^, ( 4 )

где С - постоянная стабилизатора;

8 - ширина щита или донной прорези в канале; а- величина открытия щита.

Эта формула расхода истечения является основным уравнением конструктивных и функциональных особенностей зодовыцусков-стабили-заторов расхода типа ВСРБК.

Изменение коэффициента расхода ^А обратно пропорционально осуществляется посредством козырька на щите в сочетании с криволинейным' козырьком в колодца. Как известно, коэффициент расхода М. равен : ^

ср-£= , (5)

гдз ц> - коэффициент" скорости, величина практически неизменная для дмшого открытия, в силу зависимости от коэффициента сопротивления истечения ^ , который для данного открытия величина постоянная? £ - коэффициент вертикального сжатия.

Тагам образом зависит лишь от в для данного открытия. После гидравлического обоснования принципа стабилизации ц преобразования сверхбурного потока в бурностгемительныЯ, в работе дано теоретическое обоснование параметров -^одовыпусков-стабилизаторов расхода воды типа ВСРБК. Получено уравнение для определения длины прорези ( донного отЕэрстия ) :

р___./ТРПГ . _ ,

- гЖп > { 6 >

* .9- .

где горизонтальная составляющая скорости потока над донным

отверстием, равная = Ф\/2() Но'

Но - полный напор : На- Нр«1" 2д°

- скорость подхода;

«¿о - коэффициент кинетической энергии;

- коэффициент скорости;

hp - расчетная глубина воды перед отверстием; 0 - угол открытия донного щита, который определяется по формуле :

t9e=0.4^Kci)(^r, (7)

где коэффициент водоотвода ( водозабора ) из канала еодовы-пуском, Kq= QoTb/Q F?o- число Фруда потока в основном канале; • Q - расчетный расход воды в канале в створе водозабора;: Qore- расход, забираемый в отвод. Получено уравнение кривой свободной поверхности при истечении из-под ломанной стекки с криволинейным очертанием поверхности дна - стабилизирующего элемента :

х=- в/ф Хо,

/о >

-X1 = ОС- Xo-t-Xo

где X и у. - соответственно абсциссы и ординаты точек кривой свободной поверхности, описывающих нижний контур t истекающего потона;

- обозначения, обеспечивающие координаты верхнего контура потока;

OCo,y<sкоординаты краев отверстия, для нашего случая принята : ас0=о ; зс; = у'а = а./а ; О,. - некоторое отвлеченное число, зависящее от угла наклона стенки, q,=f(£), Р-Ц,^ , ЗЛЯ >=i50e, q,= Q - угол наклона касательной к кривой свободной поверхности потока и осью ; J4. - угол, образованный струей и бисектором угла между стенками.

Для нейтрализации катящихся волн ь процессе стабилизации отводимого расхода, в предложенных конструкциях реализованы сле-

14

дующие два способа :

а ) отсечение гребня катящейся волян от основного потока и переброска за пределы сооружения ( в транзит ) ¡;

б ) преобразование части ш всего сверхбурного ( волнового ) потока в бурностремятельный с помощью специального устройства -преобразователя волнового потока ( узел А, рис. 2 ).

В работе дано гидравлическое обоснование вышеуказанных двух способов обезличивания влияния волнового потока на процесс стабилизации отводимого расхода и получены общие зависимости для расчета.

В четвертой главе с целью установления рациональных форм и размеров элементов ВСРБК, подтверждения теоретических предпосылок и конструктивных разработсп, анализа взаимного влияния различных факторов на параметры элементов ВСРБК и для разработки на их основе методики гидравлического расчета, были обоснованы и проведены гидравлические исследования по разработанной методике на двух экспериментальных установках в масштабах, 1:10 и 1:15, что больше минимально допустимого, обеспечивающих автомодельность.

К исследованиям были намечены следующие вопросы:

1. Исследование элементов ВСРБК-1 с целью получения их рациональных параметров.

2. Исследование пропускной способности к коэффициента расхода ВСЕБК-1.

3. Исследование различных модификаций преобразователя волнового потока ВСРБК-2 и получение зависимости по установлению коэффициента расхода для выбранной модификации и его осредненного значения для практических целей.

4. Исследование волногасящей способности ВСРБК-2.•

По результатам гидравлических исследований элементов ВСРБК-1 сделаны следующие выводы:'

I) длину горизонтального козырька наиболее рациональнее принимать равной'половине длины донного отверстия;

2 ) угол между щитом и его ломанной частью^' необходимо принимать равным ПО0;

3 ) длину ломанной части ( козырька ) щита принимать равной:

¿к ~ 1,2- О-тах , ( 9 )

4 ) длина верхней составляющей ковшового щита равна сумме длины донного отверстия и горизонтального козырька : '

- бпр + £гк , ( ю )

5 ) криволинейный козырек колодца крепится к верхней точке

примыкания ковшеобразного щита и имеет очертание, описываемое

уравнением ,

И = &иц + О-с ( п )

где О.;- величина открытия щита;

Ни- расстояние от оси щита до криволинейного козырька. Кроме того, по результатам исследований элементов ВСРБК-1 ' проверялись и уточнялись теоретические формулы по определению длины донного отверстия ( прорези ) бпр, угла открытия щита 0 для заданного коэффициента водозабора. •<

По результатам исследований второго вопроса определены средние .коэффициенты расхода ВСРБК-1, построена связь между осреднен-ными коэффициентами расхода и числом Фруда потока в основном канале, которая представлена графически на рис. 3 и аналитически в виде эмпирической зависимости

о.ав-о.ооб-рго ( 12 )

Эта связь справедлива в диапазоне изменения числа Фруда от I до 25 для бурного режима точения воды в подводящем канале.

Установлено максимальное значение угла открытия щита Огм*,

где обеспечивается безотрадность течения потока и которое состав-Ляэт: (13)

На основе результатов исследований по третьему вопросу.были сделаны следующие выводы:

1 ) введение в ВСРБК-1 решетчатой плиты - преобразователя волнового потока, позволило обезличить ( нейтрализовать ) влияние катящихся волн на процесс стабилизации водоподачи ;

2 ) сравнительный анализ устройств обезличивания влияния катящихся волн показал, что наиболее эффективно работает устройство

в виде решетчатой плиты ( третья модификация ) из плоских горизон--тальных и наклонных пластан ( рис. 2 ), которая обеспечивает при наилучшей стабилизации наибольший отводимый расход ( рис. 4 ) ; .

3 ) предлагаемый водовыпуск-стабилизатор, в составе которого имеется выбранное " устройство, условно названный нами ВСР0{-2,

ол 02

1 1111 1Мсв=аза-аоо&Рг0.

□ Л

о

а - при ¿=оо/ д- при о-при ¿»=0,оз ©-при ¿=о,ой

14 6 6 та 12 14 16 16 20 22 24

Рис. 3. График зависимости = ^(Рг<>) для ВСРБК - I

Д - 0,10- <3тчх о-

О - 050- Ото»

О - 0.4о-атах о

© - 0,60- Ожа» © - 0.8-0 та* О - 1,0-агалх

1 г а доть

о 0.2 о>" о йг • ■ о о^Г" о^Г*

Рис. 4. Экспериментальные зависимости и

Оа-тО|йл>» = ^ ГоДЛЯ раЗЛИЧНЫХ ЫОДИфИКаЦИЛ решетчатой плиты ВСРБК

0,5 ОД

ш о

1 л«*

¿Я

! ! |

о-опытные данные при ь = чов

—-ПО фОРМУлв

Рис. 5. График зависимости Х^ы-М^г*)для ВСРБК - 2

по пропускной способности находится на уровне наиболее совершенных водовыпусков-стабилизаторов из каналов с бурным режимом течения, но при этой обладает преимуществом в части расширения функциональных возможностей« заключающихся в применении как на каналах с бурным, так и на каналах со сверхбурным режимами течения.

4. Экспериментальными исследованиями установлена функциональная связь между коэффициентами расхода и параметрами Фруда, приведенных к равномерному потоку, которая характеризуется данными рис. 5 и описывается уравнением в виде:

>е,вО.»6+ -^Ц" (М)

Эта связь справедлива в диапазоне изменения числа Фруда от 9 до 25 для сверхбурного ¿ежима течения потока на канале-быстротоке.

Кроме того, исследованиями установлены рациональные параметры преобразователя волнового потока { решетчатой плиты ): длина плиты, шрина поперечных пластин и отверстий, количество пластин и угол наклона пластин.

Исследования волногасящей способности ВСРБК-2 заключались в определении коэффициента трансформации катящихся волн К В , представляющего собой отношение среднего размаха волновых колебаний свободной поверхности 2.0, в нижнем бьефе водовыпуска-стабилиза-тора к средней высоте катящихся волн Ив в его верхнем бьефе. При этом рассматривав тся как транзитный участок быстротечного канала за ВСРБК-2 так и участок отводящего канала, берущего начало из этого водовыпуска. Результаты экспериментальных данных позволили сделать вывод о том,' что водовыпуск-стабилизатор ВСРБК-2 одновременно выполняет функцию волногашения, в особенности по отношению к потоку отвода, что является немаловажным условием с точки зрения эксплуатации сооружений в условиях сверхбурного потока.

На основании конструкторских разработок, теоретических и экспериментальных исследований предложенных водовыпусков-стабилизаторов расхода воды разработана методика гидравлического расчета стабилизаторов.

В пятой главе для проверки и с целью подтверждения разработок, и исследований, положенных в основу методики гидравлического расчета водовыпусков-стабилизаторов расхода воды типа "ВСРБК", проведены исследования и проанализированы показатели качества работы предлагаемых водовыпусков-стабилизаторов.

На основе разработанной методики расчета рассчитаны и изготовлены действующие модели двух описанных водовкпусков-стабилкзаторов расхода воды из быстротечных каналов < ВСРБК-1 и ВСРБК-2 ).

Как следует из зависимости ( 4 ), основным регулируемым параметром при определении расхода истечения йота является действующий напор истечения И д.. Измерение этой величины в исследованиях оказалось невозможным, во-первых, из-за недоступности, так как внутренний отсек водовыпуска-стабилизатора сверху перекрыт решеткой ( ВСРБК-1 ) и решетчатой плитой С ВСРБК-2 ), во-вторых, из-за сложной схемы истечения, когда часть расхода, отсекаемая козырьком, непосредственно попадает в отверстие между щитом и криволинейным козырьком, а другая часть из щелей решетки ( решетчатой плиты ) перэтекает по верхней поверхности щита. В связи с этим в опытах устанавливалась функциональная связь между расходом отвода (Зоть и расходом подводящего. канала Ц , от которого непосредственно зависит и напор Н5 ( рис. б ). —

Результаты исследований полностью подтвердили теоретические предпосылки, конструктивные разработки и предложенную методику гидравлического расчета.

Анализ результатов исследований позволил установить фактические диапазоны стабилизации отводимого расхода : для БСРБК-1 - (3 = (о,22..Л,)5) Ота* ДЛЯ БСРБК-2 - ^ = С0.2О... 1?Ю)-Оп,ах При этом погрешности стабилизации : ВСРБК-1 - а4= О • ■• а) % ; ВСРБК-2 - ~(г- ■

При максимальном расходе в подводягвзм канале Ото* и для максимального открытия донного щита обеспечиваются следующие коэффициенты водозабора ( водоотвода ) для данных моделей: ВСРБК-1 - Кса= 0.32 ; ВСРБК-2 - К^=0.5Н

- Исследованиями установлено, что в указанных выше диапазонах работы стабилизаторов предложенные конструкций являются водомерами. Для подтверждения вышесказанного были исследованы водомерные свойства водовыпусков-стабилизаторов расхода вода'и получега водомерные константы.

В шестой главе описан объект и результаты реализации предложенных водовыпусков-стабилизаторов расхода вода.

Предлагаемые системы стабилизации применены в проекте строительства водовыпуска в акведук через реку "Шамси" из канала "Но-

7 Оптв,л/с

О-^=- = 0,285 " О тех

н-^тч^олгв О-а/0твх=г1.0

0,2 ££ 01»

Рис. 6. Экспериментальные зависимости расходов отвода СЗотв от расходов

подводящего канала О. в абсолютных и относительных координатах : а ) при работе ВСРБК - I } б ) при работе ВСРВК - 2 , гДе Ч&ак ~ расход максимального волнообразования

вый" в Чуйском районе, Чуйской области Кыргызской Республики.

В диссертации даны рекомендации по проектированию стабилизаторов предложенного типа.

Выполнен расчет экономической эффективности предложенных во-довыпусков-стабилизаторов расхода воды из быстротечных каналов. Годовой экономический эффект составил 19,1 тыс.руб/год ( по ценам 1991 года ).

основные вывода •

1. Исходя из особенностей каналов и сооружений водоподачи оросительных систем горно-предгорной зоны, сформулированы технические условия и требования к средствам стабилизации расходов воды на водоЕыпусках из каналов-быстротоков. В соответствии с этими требованиями проанализированы существующие конструкции аодовыпусков и стабилизаторов, дана оценка и выявлены недостатка, ограничивающие массовое их применение на каналах с бурным сверхбурным режимами течения и определены дальнейшие пути совершенствования этих сооружений.

2. Разработаны усовершенствованные, конструкции водовыпусков-стабилизаторов расхода из быстротечных каналов ( ВСРБК ). Дано обоснование, раскрыты технологические принципы автоматизации урегулирования водоподачи из каналов-быстротоков и предложена- технологическая схема автоматизации Оюдораспределения способом непосредственного отбора постоянных расходов с помощью водовыпусков-стабилизаторов расхода типа ВСРБК.

В работе обоснована целесообразность их применения, технология эксплуатации и компоновочные схемы донных водовыпускных сооружений, автоматизированных предложенными стабилизаторами расхода воды.

3. Разработанные две'конструкции водовыпусков-стабилизаторов расхода ВСРБК-1 ( а.с. № 1028769 ) и ВСРБК-2 С пол.реш. г;о заявке № 5017780/15 на водовыпуск-стабилизатор расхода воды ) позволяют исключить недостатки существующих водовыпусков-стабилизаторов, повысить показатели качества работы и стабилизации, обеспечить пропускную способность на уровне наиболее совершенных водовыпусков-стабилизаторов расхода воды из каналов горно-предгорной зоны. Предложенные водошлуски-стабилизаторы расхода сочетают в себо функции стабилизации водоподачи, измерения расхода отводаборьбы

с катящимися волнами и обезличивания их влияния на процесс стабилизации, т.е. способны работать в условиях как бурного," бурно-стремительного, так и езерхбурного режимах течения. Принцип стабилизации предложенных конструкций основан на изменении коэффициента расхода обратно пропорционально величине \/Hj( Hj. _ действующий напор 5.

4. В работе для рассмотренных водовыпусков-стабилизаторов выполнены теоретическое и гидравлическое обоснования. Получены функциональные зависимости, связывающие гидравлические и конструктивные параметры, зависимости по определению параметров элементов ВСНЗК.

5. Результаты теоретических исследований проверены лабораторными исследованиями и введены необходимые коррективы к полученным зависимостям. Экспериментально установлены наиболее рациональные параметры элементов ВСРБК:

- для ВСГБК-1 :

а ) угол между щитом и козырьком £> = 110°;

б ) максимально-допустимый угол открытия донного щита Вдоп.= 25в..27° или через открытие О-та* = (о, Ь9 ...0.45J- £пр ;

в ) длина козырька донного щита £к = 1.2 ■ От«« ,

- для ВСРБК-2 :

а ) доля площади, приходящаяся на отверстия решетчатой плиты р= о.С ;

б ) установлено, что при определении длины донного отверстия для сверхвурного режима необходимо учитывать долю площади; приходящуюся на пластины, через коэффициент 1,4;

в ) угол наклона пластин к горизонту в нижней половине плиты ¿=25в...50°; .

г ) возрастающая ширина поперечных отверстий 6оть= (о,оч5 ; o,o7S ; о,«г; о.ta ; о.го> ¿пл \

д ) убывающая.ширина поперечных пластин ctnn =(0,16 ; 0,12'. 0,075 / 0,045 ) > £пл .

6. Экспериментальными исследованиями установлена функциональная связь между коэффициентами расхода и параметрами Фруда, приведенными к равномерному потоку для обеих модификаций водовыпуска-стабилизатора, которые позволяют выполнить расчет пропускной способности ВСРБК при бурном и сверхбурном режиме течения в подводящем канале-быстротоке.

Для практических целей допустимо пользоваться осредненными значениями коэффициента расхода : для ВСРБК-1 ул. — q,h... О.^а и jvt = 0,19 ... 0.2.7 для ВСРБК-2, находящимся в допустимых пределах от среднего значения.

7. По результатам экспериментальных а теоретических исследований разработала методика инженерного расчета предложенных водовыпусков-стабилизаторов расхода воды-

8. Исследования процесса стабилизации и оценка показателей качества работы стабилизаторов расхода позволили'установить фактические диапазоны стабилизации для случая максимального открыто-донного затвора :

для ВСРБК-1 - Q = (0.22 ... 1,15)-Qm«

для ВСРБК-2 - <э= Со.го ... I.1Q)-0ma«

При этом имеют погрешности стабилизации : ВСРБК-1 - Д Q = (!... 5 ) 7. ВСРБК-2 - AQ = i 2.

9. Предложенные водовыпуски-стабилязаторн расхода воды, в соответствующих диапазонам работы, являются водомерами, отводимый рзеход при этом функционально зависит только от открытия донного ковшового затвора.

10. Результаты проектных разработок и расчеты техшко-экономических показателей доказали возможность и целесообразность широкого применения Еодовыпусшй-стабилизаторов расхода воды типа ВСРБК для стабилизации:водоподачи из каналов межхозяйственного и внутрихозяйственного звена оросительных-систем, как с бурным, так и со сверхбурными режимами течения, на qc^:oe9 чего разработаны рекомендации по проектированию водовыпусков-стабилизаторов расхода воды предложенного типа.

Расчетный экономический эффект от внедрения одного водоЕыпуска-„стабилизатора расхода составил 19,1 тые.руб/год при расходе отвода 4 м3/с.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работах :

I. Бочкарев Я.В., Лавров Н.П., Яусупов М.К. Водовыпуск-ста-билизатор расхода из быстротечного канала со сверхбурным течением // Тезисы докладов III межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию образования Кыргызского СХИ им.К.Й.Скрябина, ч.П - Бишкек, 1Э92.

2. Бочкарв* Я.В., Лавров H.H., Жусупов U.K. Исследование стабилизирующей способности водовыпуска-стабшшзатора расхода из быстротечного канала со сверхбурным течением // Автоматизация технологических процессов и технология регулирования водного режима оросительных систем. - Бишкек, 1992 - в печати ( сб.науч. тр./ Кырг.с.-х. ин-т им. К.И.Скрябина ).

3. Бочкарев A.B., Жусупов М.К. Теоретическое обоснование водовыпуска-стабшшзатора расхода воды из быстротечного канала

со сверхбурным течением // Тезисы докладов юбилейной научной конференции, посвященной 60-летию образования Кыргызского СХИ им. К. И.Скрябина, ч.Ш. - Бишкек, 1992. - с. 8-9.

4. Бочкарев Я.В., Шусупов М.К.. Теоретическое обоснование водовыпуска-стабилизатора расхода из каналов-быстротоков ( ВСРБК ) // Автометизация оросительных систем на базе ресурсо-энергосбере-гвгощих технологий. - Бишкек, 1993. - в печати ( сб.науч.тр./Кырг. с.-х. ин-т им. К.И.Скрябина ).

5» Бочкарев Я.В., Жусупов М-К. Технологическое обоснование автоматизации регулирования водоподачи и компоновочные схемы во-довыпусков-стабилизаторов расхода воды для каналов-быстротоков // Совершенствование методов и средств автоматизации гидравлических систем. - Бишкек, 1994. - с. 17-24 (сб.науч.тр./ Кырг.с.-х. ин-т. им.К.И.Скрявяна ).

6. Бочкарев Я.В., Лавров Н.П., Еусупов М.К. Донный водовы-пуск-стабилизатор расхода годы для каналов-быстротоков // Мелиорация и водное хозяйство, 1924. - в печати.

7. Положительное решение на изобретение. Бодовыпуск-стабили-saTop расхода воды и» быстротечного канала. / Я.В.Бочкарев, Н.П. Лавров, М.К.Жусупов, У.С.Абдугафаров ( СССР ). - № 5017780/15 ; Заявлено 24.12.91. .

М.КДусуповдун "loropxy ыждамднхтагы тожкундуу режимдеги канаждар учун оуу чигнмыиын стабилизатордеруя патап чыгуу жана нзиадве" дегек кандндаттвк дассертацяясн. Адкстнги 06,01.02 - кеянорация кала сугат дкЯканчпжнги.

М.КДусуповдун дяссертацияжик пая кяиндин гаиа практя-какнн актуаздуу ж&иа оиондой эле начар изшденген таркакта-рынан бири болгоя, еге тез агуучу каналдардан суу агууну стабилдештируу системаларин иштеп чыгуу жана изилдее масе— перине арнаяган. йттелип чыккан жацы конструкциядар тоо этек зонадарында, сугат системаларывдагы каналдаржана кичя же микро-гидроэпектростаицкяларда негизги канавдагы суу агымы-нын термелуусуне карабастан, алынып ¡¿аткан суу чыгымни авто-маттык турде бирдеЯ елчвмде кармап туруу учун колдонуяуусу мумкун. Сунуш кылыкган тузуяуитэр аяанган оуу чыгымын ста-бяядештарууден башка* суу олчее жана суу толкунун ечуруу функцияларын аткарышат, Дасоертацияда аталган жацы тузуяуш-терду ендуруште кецири колдонуу учун» адарднн бардык негизги еячемдеруно изилдеелэр-жургузулуп» инжер&рдик додбоорлво методикаоы пятелип чыккан.

25

RES U H B

H.K.Jusupov's theais for a candidate's degree entitled "Development and Research of 'later Stabilizers flow for Canals vitlu Storaj and Sapor Stcr.r.y PIoyj Regime". Speciality 06.01.02 - Jjr.poveaent of tiisp soil cr.d irrigation.

M.K.Jukjov's v/ori is devoted to the urgent fecieu'cxfic prohlea which is less investigated field of science - development and research siicbilizstion water supply cyst en of canals'with si.3r.„y and etorrsy fiov» regime. Developed new constructions issj "be used for irrigation canals in mountainous zone end foothills at small and micro power staticne for automatic maintenance of stable flow independently flon variation of water fi.c.7 suggested func-

tions as-water ~eier cf flov7 and wave removal.

For their wide Introduction in the process all parameters of construction had !>een investigated and settled down, the method of engineering project was developed too.

26

Диссертационная работа Жусупоза М.К. на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме: "Разработка и исследование стабилизаторов расхода воды для каналов о бурным и сверхбурннм режимами течения". Специальность 06.01.02 - мелиорация и ороиаемое земледелие.

Работа Жусупоза посвящена ре пенив одной и.з

актуальной а в сзов очередь слабсизученной области науки

и практики задачи - разработке и исследованию систем ста-бяжязацяя зодоподачи из каналов с Ьурянм и сверхбурннм

ргязздаяя течения; Разработаннне новие конструкции могут бить пользоваяп на каналах ороситеяышх систем горнопредгорной зоны, на матах или микро-гидроэлектростанциях для автоматического поддержания стабильных отводимых рас* ходов воды независимо от колебания расходов воды в осноьг ном быстротечном канале. Кроме стабилизации отводимого расхода воды, предложенные устройства выполняют функции водомера расхода воды а волногасителя.

Для широкого внедрения их а производство, л работе исследованы и обоснованы все основные параметры конструкций, разработана методика инженерного проектирования.

Подписано В печать Ю- <Рормдт

Печать офсетная. Обье.л_£^£_п.л. Зак—__Тир.

г. Бишкек, ул. Медероы, 68. Типография КСХИ