Средства инженерно-экологической защиты нижних бьефов гидроузлов

 
 
 
 
 
 

 
 

Ю. А. Кузнецова 

 
 
 

СРЕДСТВА 

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ 

НИЖНИХ БЬЕФОВ ГИДРОУЗЛОВ 

 
 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2014 

 

УДК 532.5: 627.5 
ББК 38.77 
        К 89 
 
 

Р е ц е н з е н т ы :  

А. Ю. Мануковский, доктор технических наук (ВГЛТА) 

А. И. Павлов, доктор технических наук (СыктГУ) 

Г. И. Миронов, доктор физико-математических наук (МарГУ) 

 
 
 

Кузнецова, Ю. А.

К 89
Средства инженерно-экологической защиты нижних бьефов 

гидроузлов: монография/ Ю. А. Кузнецова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2014. –
260 с.
ISBN 978-5-8158-1438-7

Проблема размыва донного грунта в нижних бьефах гидроузлов требует реше
ния многообразных задач гидродинамики и других смежных дисциплин. В монографии рассмотрены динамические средства защиты нижних бьефов гидротехнических 
сооружений от размыва. Приведены расчеты сопряжения бьефов в пространственных условиях и параметров воронки размыва за концевым креплением рисбермы,
выполненные в прикладной программной среде MathCAD. Разработаны вихревая 
модель плоской гидравлической струи и модель деформации донного слоя грунта 
для оценки эффективности работы гидродинамических средств защиты от размыва. 
Выполнено сравнение полученных теоретических результатов с данными лабораторных исследований на модели водосливной плотины гидроузла. Изложены принципы 
эколого-экономической оценки результатов работы.

Для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих проблемы гид
родинамики, эксплуатации гидроузлов и природообустройства.

 
 
 
УДК 532.5: 627.5 
ББК 38.77 
 
 

ISBN 978-5-8158-1438-7
© Поздеев А. Г., Кузнецова Ю. А., 2014
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2014

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Условные обозначения
6

Введение
10

Глава 1.
Состояние вопроса в области экологического 
обоснования инженерной защиты сооружений 
нижних бьефов гидроузлов
13

1.1.
Характеристика Чебоксарского гидроузла
14

1.2.
Экологические проблемы, вызванные созданием 
Чебоксарского водохранилища
17

1.3.
Местные размывы русла за гидротехническими сооружениями
18

1.4.
Cведения о свободных гидравлических струях
21

1.5.
Принципы математического моделирования движения воды и примесей в системах водотоков
26

1.6.
Речные наносы и механизмы развития руслового 
процесса
27

1.7.
Гидравлические явления на участке сопряжения 
бьефов
27

1.8.
Метод искусственной поперечной циркуляции
29

Глава 2.
Регулирование 
гидравлических 
процессов 
на 

участке сопряжения бьефов
31

2.1.
Расчет сопряжения бьефов в пространственных 
условиях
31

2.2.
Применение искусственной поперечной циркуляции 
для инженерно-экологической защиты от размыва в 
нижнем бьефе гидроузлов
44

2.3.
Режим потока в вихревых устройствах
44

2.4.
Модель вихревой границы плоской гидравлической 
струи
49

2.5.
Вихревая модель плоской гидравлической струи
61

2.6.
Модель деформации донного слоя
71

Глава 3.
Гибкие руслоформирующие профили
77

3.1.
Индуктивное воздействие профиля на русловой поток
77

3.2.
Конструкция 
устройства 
для 
инженерно
экологической защиты нижних бьефов гидроузлов от 
размыва на основе гибкого профиля
86

Глава 4.
Русловые процессы в нижнем бьефе гидроузла
94

4.1.
Формирование и состав речных наносов
94

4.2.
Движение наносов и деформации русла в нижних 
бьефах
95

4.3.
Взвешивание наносов
95

4.4.
Прогноз местных размывов
96

4.5.
Местный размыв связных грунтов
100

4.6.
Расчет общей глубины воронки размыва
103

4.7.
Вычисление элементов донных гряд
113

4.8.
Имитационные системные модели, основанные на 
балансовом подходе
116

4.9.
Системная динамика размыва
117

4.10.
Местный размыв несвязных грунтов падающей струей
119

4.11.
Модель динамики размыва донного грунта
123

4.12.
Системный анализ гидробиологических показателей 
в зоне размыва нижнего бьефа
127

Глава 5.
Экспериментальные исследования процесса размыва русла в нижнем бьефе водосливной плотины
136

5.1.
Подобие открытых русловых потоков
136

5.2.
Моделирование местного размыва грунта
138

5.3.
Получение критериев подобия методом анализа размерностей величин, характеризующих явление
140

5.4.
Описание лабораторной установки
147

5.5.
Описание измерительного комплекса
151

5.6.
Проведение экспериментальных исследований
155

5.7.
Статистическая обработка результатов эксперимента
170

Глава 6.
Эколого-экономические оценки результатов работы
197

6.1.
Основные параметры оценки последствий разрушения гидроузлов в нижнем бьефе
197

6.2.
Методика расчета эколого-экономического риска
эксплуатации гидротехнических сооружений
198

6.3.
Экономические оценки последствий разрушения гидроузлов
202

6.4.
Технико-экономическое обоснование поиска областей размыва дна нижнего бьефа гидроузла
204

Заключение
212

Библиографический список
216

Приложение 1.

Размыв русла отводящих каналов гидроагрегатов (створы 2 Г…18 Г) и водосливной плотины 
(створы 1 ВСП…6 ВСП)
228

Приложение 2.

Применение искусственной поперечной циркуляции для регулирования русловых процессов в нижнем бьефе гидроузлов. Расчет кинематических характеристик потока при работе 
двух вихревых поперечных донной галерей.
234

Приложение 3.

Расчет параметров руслоформирующего профиля. Построение сечения профиля NASA 
0302. Pасчет несущего каната руслоформирующего профиля
242

Приложение 4.
Геометрические характеристики профиля
250

Приложение 5.
График расхода мерного прямоугольного водослива
253

Приложение 6.
Построение графика расхода мерного треугольного водослива
254

Приложение 7.
Расход влекомых наносов. Параметры донных 
гряд
255

 

Условные обозначения 

 

б
h
– бытовая глубина потока в нижнем бьефе;


u – вектор скорости;


w
d
– вектор элементарной скорости, индуцированной вихревым

слоем с компонентами 

du , 

dv ;

q – величина распределенной нагрузки;
v – вертикальная скорость;
c – волновая скорость;
z – высота падения струи;

н
P – высота порога водослива относительно рисбермы;

o
b – высота струи в сечении на входе в воронку;

м
d
– геометрическая крупность частиц;

u – гидравлическая крупность;
R – гидравлический радиус;

д
p
– гидродинамическое давление;

н
p
– гидростатическое давление;

ch – глубина в сжатом сечении нижнего бьефа;

p
h
– глубина размыва;

б
h – глубина в отводящем русле при равномерном движении;

H – глубина потока;

t – глубина размыва;

a
D – дедвейт (водоизмещение), или вес аппарата;

td – диаметр агрегатов, слагающих дно;

d – диаметр частиц песка,

pl
– длина воронки размыва;

L – длина (размах) профиля;

д
u
– донная скорость в зоне галереи;

сv
– донная скорость растекающейся струи;


– касательная к кривой (траектории);

o
вор
v
– допускаемая донная скорость 

в стабилизированной воронке размыва;

t

– корректив скорости при незатопленном

гидравлическом прыжке;

o
i ,

 tg
tg
– коэффициент внутреннего трения;

 – коэффициент кинематической вязкости;
 – коэффициент кинетической энергии;
K
– коэффициент однородности;

y
C
– коэффициент подъемной силы;

 – коэффициент расхода;

c

– коэффициент сжатия;

 – коэффициент скорости;
f
– коэффициент трения;

m – коэффициент условий работы агрегатов на растяжение

и изгиб;

 – коэффициент устойчивости;

N
– коэффициент формы струи;

к
h
– критическая глубина;

m – масса вихря;

l

– масштаб глубин;

v

– масштаб скоростей;

E – модуль Юнга;
J
– момент инерции относительно нейтральной линии;

п

– мутность потока;

H
– напор над гребнем водослива;

C – напряженность вихря;

o
u
– начальная величина вектора скорости;

o
u
– начальная скорость плоскопараллельного потока;

ov
– неразмывающая скорость;

 – нормаль к кривой;

n
F
– нормальная составляющая вектора силы;

лl
– общая длина листовидной области растекания;

o
q
– общий удельный расход внешнего потока;

o

– объемный вес воды;

ч

– объемный вес частиц;

 – опытная константа скорости струи;

р

– отметка рисбермы;

 – относительная ширина потока;

в
П
– параметр водоворота;

 – параметр наклона струи;

 – перемещение точки приложения продольной силы;

o

– плотность воды, кг/м3;

г

– плотность грунта;

ч

– плотность частицы, имеющей расчетный объемный вес 

частиц 
ч
 ;

 – площадь живого сечения;
q – погонный расход воды;
n – показатель степени, зависящий от вида грунта;

1P – поперечная сила;

изг
U
– потенциальная энергия изгиба;

n
h
– предельная бытовая глубина;

н
P
– пригружающее действие, обусловленное глубиной воды 

в воронке размыва;

 – прогибы балки;

кр
P
– продольная критическая сила;

s
q
– расход наносов;

o
Q
– расход через одно отверстие при нормальном подпорном

уровне;

v
– скорость равномерного движения в отводящем русле;


– смоченный периметр;

п

– угол наклона струи;

q – удельный расход;
g – ускорение свободного падения;
 – функция потенциала скоростей;
Re – число Рейнольдса;

Sh – число Струхала;

Fr – число Фруда;
Eu – число Эйлера;

о
b
– ширина отверстий;

B – ширина плотины;


h
– ширина потока по зеркалу воды;

b – ширина размыва.

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
При эксплуатации устройств нижнего бьефа гидроузлов и, в частно
сти, их водосливных плотин возникает ряд проблем, связанных с гидравлическим режимом сопряжения бьефов. 

Водохранилища регулируют сток воды и коренным образом меняют 

режим стока наносов за счет размыва дна и берегов. Наиболее интенсивные процессы размыва дна происходят на участках, непосредственно 
примыкающих к сбросным сооружениям, и затухают по мере продвижения вдоль нижнего бьефа. При динамическом воздействии струйных 
течений, возникающих в нижней части рисбермы, размывается основание нижнего бьефа и образуется воронка. 

Ниспадающая с рисбермы струя при ударе о дно отклоняется вверх 

примерно под тем же углом, под которым падающая струя наклонена к 
горизонту, и становится восходящей. При скорости струи, ниспадающей 
с рисбермы, превышающей допускаемую (неразмывающую) донную 
скорость, донные частицы отделяются от дна, и под действием пульсационной скорости восходящей струи происходит их вынос в поверхностную часть руслового потока. Поток насыщается наносами, повышающими его мутность, и начинается процесс их влечения. 

Процесс размыва дна нижнего бьефа прекращается тогда, когда мак
симальная пульсационная скорость восходящей струи у горизонта воды 
в воронке равна гидравлической крупности частиц, которые слагают 
дно воронки. 

При работе Чебоксарского гидроузла за концевыми креплениями 

водосливной плотины создаются условия для интенсивного размыва дна 
русла. При этом глубина воронки размыва превышает три метра относительно строительной отметки грунта. 

В связи с этим на всех стадиях проектирования, строительства и 

эксплуатации гидротехнических сооружений возникает проблема решения многообразных задач гидродинамики, теоретической механики, 
сопротивления материалов, требующих надежного и эффективного вычисления и обоснования параметров русловых процессов при различных режимах работы затворов водосливных плотин. 

Решение этой проблемы в настоящее время осуществляется на осно
вании относительно простых и не взаимосвязанных расчетных методик, 
реализуемых на простейших вычислительных устройствах или с приме