Виллей Дж., Эвинг Т. Числовое и физическое моделирование для проектирования сложных ступенчатых водосливов - файл modelling_ru.doc

Виллей Дж., Эвинг Т. Числовое и физическое моделирование для проектирования сложных ступенчатых водосливов
скачать (7981.8 kb.)
Доступные файлы (2):
modelling_en.pdf4664kb.18.02.2011 10:17скачать
modelling_ru.doc3606kb.18.02.2011 10:16скачать

modelling_ru.doc

Журнал Hydropower & Dams, том 17, № 3, 2010 год.
Числовое и физическое моделирование для проектирования сложных ступенчатых водосливов
Дж. Виллей и Т. Эвинг, ГХД Пти Лимитед, Австралия


Приводится методика гидравлического расчета водослива для 85-метровой плотины из уплотненного катками бетона Enlarged Cotter Dam (ECD). Разработка конструкции началась в ноябре 2009 года, а завершение технического проекта планировалось на март 2010 года. Процесс проектирования водослива включал в себя разработку предварительной конструкции на основании теоретических и эмпирических методов проектирования и опубликованных данных, анализ и оптимизацию компоновки с применением компьютерного гидродинамического моделирования (CFD). В завершение, конструкция была проверена и уточнена с использованием физического моделирования на уменьшенной масштабной модели. В статье освещены ключевые аспекты конструкции, а также дан краткий сравнительный анализ результатов числового и физического моделирования.
Плотина Enlarged Cotter Dam находится на одноименной реке приблизительно в 18 км к западу от города Канберра в Австралии. Концепция общей конструкции водослива предполагает наличие центрального ступенчатого клиновидного основного водослива, расположенного между ступенчатыми вспомогательными водосливами над каждым из примыканий, с водовыпуском в каскад направляющих каналов на низовом примыкании, по которым поток выносится в русло реки.

После разработки проектного замысла было выполнено компьютерное гидродинамическое моделирование (CFD-моделирование) для того, чтобы оценить все комплексные трехмерные гидравлические характеристики данной конструкции ступенчатого водослива. В процессе этого моделирования сначала проводился двумерный анализ основной и вспомогательной ступеней водослива для уточнения расчетных значений коэффициентов расхода водослива, распределения давления на пороге, и для определения минимально допустимого масштаба сетки. Затем был построен трехмерный домен, и при помощи многофазной модели было смоделировано несколько типов потока. Были выявлены проблемные характеристики потока, и с помощью гидродинамической модели проведена оценка ряда конструктивных вариантов исполнения. Такой быстрый процесс оценки позволил выбрать эффективную конструкцию водослива, и определить плановые издержки и стоимость проекта. Благодаря такой методике проектирования появилась возможность быстро перейти к экспериментам с различными конструктивными вариантами, что оказалось весьма эффективным, даже при очень сложной геометрии данного ступенчатого водослива. Основным преимуществом являлся эффективный процесс проектирования, создававший возможность анализа на основе физической модели, а также выигрыш в стоимости и сокращение длительности проектирования.

С целью подтверждения выбранной конструкции в ходе разработки технического проекта была построена физическая модель плотины и водослива в масштабе 1:45. Испытания, проведенные на этой модели, подтвердили правильность принятой предварительной конструкции, позволили уточнить и оптимизировать каналы берегового каскада и успокоительный бассейн, и обеспечили данные для проектирования структуры и калибровки числовой гидродинамической модели.

В данной статье дано краткое изложение явных преимуществ в отношении сроков разработки и затрат, которые дает такой метод проектирования, а также дополнительных возможностей при разработке сложных конструкций водосливов, получаемых с применением числового и физического моделирования. Кроме того, рассматриваются основные конструктивные особенности прочих аналогичных типов водосливов, в частности, вопросы туннельной аэрации, устройство берегового каскада и гасителя энергии потока.


  1. Предпосылки разработки проекта


Плотина Enlarged Cotter Dam разрабатывается в рамках Программы Водной Безопасности корпорации ACTEW. В будущем водоснабжение Канберры, столицы Австралии, будет обеспечено благодаря возведению этой 85-метровой плотины в комплексе с другими объектами водной инфраструктуры, в том числе созданию водопроводной магистрали между бассейнами и увеличению подачи низкоподъемной насосной станции для забора воды из реки. Плотина Enlarged Cotter Dam (ECD) строится на реке Коттер, сразу ниже по течению от существующей бетонной гравитационной плотины высотой 30 м. Полезный объем нового водохранилища составит 78 000 МЛ, что в 20 раз превышает объем существующего водохранилища. Проект ECD также включает в себя строительство двух седловидных каменно-земляных дамб высотой до 16 метров на правом примыкании плотины. За весь комплекс объектов будет отвечать ассоциация Bulk Water Alliance (BWA), в состав которой входят корпорации ACTEW Corporation и ActewAGL (владельцы), компания с ограниченной ответственностью GHD Pty Ltd. (проектировщики), и John Holland и AbiGroup (строители). Строительные работы на плотине Enlarged Cotter Dam начались в ноябре 2009 года, и завершение строительства намечено на конец 2011 года.


  1. Первоначальный проектный замысел


После предварительных оптимизационных расчетов данного проекта предпочтение было отдано гравитационной плотине из укатанного бетона с прямым порогом. Был разработан проект водослива, который включал в себя основный водослив шириной 50 метров и вспомогательные водосливы через порог плотины по обеим сторонам основного водослива. Выпуск воды из вспомогательных водосливов происходит в береговые возвратные каналы, и эти потоки переносятся в русло реки у подошвы откоса плотины. Левый и правый вспомогательные водосливы имели длину порога 75 м и 125 м соответственно, и работали при паводках ежегодной обеспеченностью менее 1:1000. Максимальный сток в таком случае составляет приблизительно 550 м3/с.

Ширина основного водослива ограничивалась шириной естественной поймы в створе плотины, а вспомогательные водосливы были расширены до максимально возможного размера в пределах ограничения по общей ширине порога плотины, равной примерно 300 м. На этой стадии в качестве гасителя энергии потока был принят успокоительный бассейн типа II USBR. Для данного проекта был принят максимальный расчетный паводок, равный максимальному вероятному паводку (PMF), при котором максимальный сток составляет 5710 м3/с.


  1. Расчеты для определения плановой стоимости проекта


Самым главным для ассоциации Bulk Water Alliance было довести процесс проектирования до такой стадии, когда можно будет разработать методику строительства и определить плановую стоимость проектирования и возведения плотины ECD. В течение этой стадии конструкция водослива проектировалась на основе теоретических и эмпирических методов проектирования, а также с использованием данных по прошлым проектам с аналогичными параметрами. На Рисунке 1 приводится план расположения сооружений, разработанный на данной стадии проектирования. На нем показана подробная конструктивная компоновка с изменениями, внесенными после определения плановой стоимости проекта, которые рассматриваются в настоящей статье.




Рис.1. Схема расположения плотины Enlarged Cotter


    1. Основной водослив


С этого момента началась дальнейшая оптимизация компоновки водослива, в ходе которой длина порога была увеличена до 70 метров, а на коническом лотке были выполнены струенаправляющие стенки, сужающие течение потока до 45-метровой ширины на входе в успокоительный бассейн, имеющие с каждой стороны конусность 12% относительно центральной оси водослива. Это позволило понизить уровень глухого порога плотины из укатанного бетона и гребней седловидных плотин почти на 0.6 м, а уровень порога вспомогательных водосливов на основной плотине примерно на 0,4 м. В результате была получена значительная экономия объемов материалов отсыпки плотины из укатанного бетона и седловидных плотин.

Чтобы упростить строительство плотины из укатанного бетона, было принято решение о том, чтобы низовые грани основного и вспомогательного водосливов были копланарны (лежали в одной плоскости). В связи с этим были внесены изменения в конструкцию порога водослива практического профиля основного водослива с тем, чтобы ширина порога позволяла обеспечить движение транспорта на уровне вспомогательного водослива. Это было необходимо для того, чтобы обеспечить доступ для обслуживания и эксплуатации башенного водозабора, расположенного на верховой грани плотины и примыкающего к основному водосливу. Поэтому за расчетный напор Нd для порога основного водослива был принят напор при максимальном паводочном уровне (MFL) , и в результате ожидалось, что на гребне основного водослива давление будет положительным во всех случаях. Как принято для ступенчатых водосливов на плотинах из укатанного бетона, на переходе от порога практического профиля из обычного бетона к нижним стандартным 1,2 метровым ступеням из укатанного бетона применялись ступени высотой 0,3 м и затем 0,6 м, чтобы исключить возможность дельфинирования сбрасываемой с водослива воды при малых значениях потока. На Рисунке 2 приведены формы гребней основного и вспомогательного водосливов.



Рис. 2. Конструкция гребней основного и вспомогательного водосливов.


Гидравлические характеристики потока на основном водосливе, в том числе глубины течения и рассеяние энергии, оценивались по методике Boes & Hager [20031]. Основной водослив был спроектирован на значения модуля стока до 48 м3/с/м при максимальном вероятном паводке (PMF), а модуль стока для случаев со средней обеспеченностью 1:1000 был равен 8 м3/с/м.

Струенаправляющие стенки были спроектированы в расчете на паводки средней обеспеченностью 1:1000, и высота стенки была принята равной 1,5 м перпендикуляра от линии ложного дна (линии, соединяющей крайние выступы ступеней из укатанного бетона). В некоторых других источниках, например в работе Meireles et al [20077], указывается, что при меньших значениях потока высота стенок, рекомендованная Boes & Hager, может оказаться излишней. Как бы то ни было, периодический перелив волн и сильно аэрированного потока через струенаправляющие стенки не считается критическим явлением, поскольку он будет удерживаться примыкающим вспомогательным водосливом.


    1. Вспомогательный водослив


Исходя из изложенных выше принципов конструирования, в итоге проектировщики получили значение ширины порога вспомогательного водослива, равное 4,3 метра. Между гребнем вспомогательного водослива и низовой гранью плотины был выполнена переходная кривая для снижения вероятности возникновения струй, свободно сбрасываемых с порога вспомогательного водослива. Эта кривая была спроектирована с несколько пониженным запасом прочности, на основании расчетного напора, равного половине напора при форсированном подпорном уровне (ФПУ). В течение сильных паводков над гребнем будет возникать отрицательное давление. Это явление не считается критичным, и оно было учтено при оценке устойчивости данного участка плотины под воздействием паводочных нагрузок. Что касается основного водослива, там применялись ступени, высота которых увеличивалась по направлению сверху вниз, что обеспечивало плавный переход от гребня к ступеням из укатанного бетона полной высоты. Модуль стока через вспомогательный водослив при ФПУ составит приблизительно 17 м3/с/м.

Гидравлический расчет нижней части вспомогательных водосливов очень сложен, принимая во внимание, что поток собирается на примыкании у зуба плотины при помощи ступенчатых береговых возвратных каналов и переносится к основному гасителю энергии потока в центре речной поймы. Это связано с весьма значительными изменениями в направлении и импульсе потока.

Первоначально конструкция береговых возвратных каналов была разработана с использованием метода, аналогичного методу, применявшемуся при проектировании водосбросов с боковым отводом воды (траншейных водосбросов), который основан на законе сохранения импульса [USBR, 19873]. Принималось допущение, что береговой возвратный канал является боковым траншейным каналом, а поток возрастает по линейной зависимости от расстояния в направлении вниз по каналу. Для потока, входящего в канал, рассеяние энергии на ступенях низовой грани плотины учитывалось по методике Boes & Hager. Канал разделялся на отдельные бьефы, и импульс в конце каждого участка считался равным импульсу в его начале плюс некоторый прирост импульса от внешних источников. Ширина была принята от 5 метров на верхнем примыкании до 20 – 23 метров на большей части канала. Гравитационная стенка высотой 5 метров была выполнена на канале у нижнего бьефа. Поток в канале будет очень сильно приподнят из-за высокой энергии потока, входящего в канал, и в связи с этим для удерживания потока в пределах канала в низовой стенке был выполнен консольный дефлектор потока.


    1. Рассеяние энергии


Энергия воды в водосливах будет рассеиваться благодаря сочетанию следующих факторов:


Количество рассеянной на ступенях энергии оценивалось с использованием методики, предложенной в работе Boes & Hager. Для основного водослива выяснилось, что рассеивается примерно от 80% энергии в случае паводка со средней обеспеченностью 1:1000 до 50% в случае паводка расчетной обеспеченности.

Для расчета плановых издержек и стоимости проекта был принят успокоительный бассейн типа III USBR длиной 26,5 метров с лотковыми блоками высотой 1.1 м и блоками шашечных гасителей энергии потока высотой 2 метра. При использовании успокоительного бассейна такого типа достигается почти на 40% более короткий гидравлический прыжок, чем при бассейне типа II, но в случае, если ожидаются значения скорости на входе, превышающие 18 м/с, необходимо проявлять осмотрительность. В таких условиях может произойти кавитационное разрушение, однако возможность этого может быть сведена до минимума благодаря применению аэрационной ступени на основном водосливе. После оценки возможного повреждения от эрозии в нижнем бьефе плотины в качестве расчетного был принят паводок средней обеспеченностью 1:20 000 с максимальным стоком 1420 м3/с (при модулях стока на основном и вспомогательном водосливе, составляющих около 16 м3/с/м и 2 м3/с/м соответственно).

Энергия потока, проходящего над вспомогательным водосливом, будет рассеиваться на ступенях низовой грани, на турбулентность в береговых возвратных каналах и под воздействием противоположно направленных потоков из левого и правого береговых возвратных каналов в области успокоительного бассейна.

    1. Кавитация и аэрация


Кавитация в лотке водослива и успокоительном бассейне может являться причиной для беспокойства при больших модулях стока и высоких скоростях. В этих случаях придонная концентрация воздуха может оказаться недостаточной для предотвращения кавитации. Как указывается в работе Peterka (1953), на которую дается ссылка в источнике Boes & Hager [20031], «придонная концентрация воздуха, равная 5 – 8 %, считается достаточной для того, чтобы избежать повреждений от кавитации. По данным Boes & Hager [20031], 8% концентрация воздуха достигается в точке на расстоянии 9hm.i ниже по течению от точки поглощения, где hm.i – глубина воздушно-водяной смеси в точке поглощения. Приводится также значение предельной скорости, равное 20 м/с, которое может привести к началу кавитации. То есть можно сделать вывод, что в зонах, расположенных выше по течению от точки, где придонная концентрация воздуха достигает 8%, а скорость превышает 20 м/с, требуется защита в виде устройства аэрационной ступени.




Рис. 3. Фрагмент конструкции аэрационной ступени


В работе авторов Ozturk et al [20085] приводятся указания по проектированию аэрационных ступеней. Характеризующее поток число Фруда названо критическим параметром, определяющим эффективность аэратора, и при его значениях ниже минимального вовлечение воздуха будет пренебрежимо мало. Автор Pinto [19916], на труды которого ссылаются Ozturk et al, определил, что это минимальное значение числа Фруда равно 4,5, что также было подтверждено Ozturk с соавторами в представленной ими работе. Было признано необходимым выполнить аэрационную ступень для уменьшения вероятности возникновения кавитации в нижних секциях ступенчатого лотка водовода и в успокоительном бассейне. Для определения местоположения аэратора были выбраны паводки, средняя обеспеченность которых варьировалась от 1:1000 до 1:20000. Скорость потока чистой воды, равная 20м\с, достигается под гребнем на расстоянии 30-35 м по вертикали, и число Фруда находится в диапазоне от 6 до 7. Первоначально такой уровень считался подходящим для аэрационной ступени. Эта ступень была выполнена путем заполнения трех ступеней обычным бетоном второй стадии и устройством наклонного спуска в пределах самой нижней ступени, выступающего за линию псевдо-дна, см. Рис.3.

После проведения первоначальной оценки была рассмотрена работа Amador et al [20097], где приводились данные по колебаниям давления, полученные на масштабных моделях ступенчатых водосливов, которые свидетельствовали о том, что наивысшие значения отрицательного давления наблюдались около точки поглощения. На основании выполненных измерений отрицательного давления Amador с соавторами предположили, что риск возникновения кавитации существует, если скорость потока в точке поглощения превышает приблизительно 15 м/с, что для конфигурации водослива плотины Enlarged Cotter Dam происходит при значениях модуля стока около 19,3 м3/с/м. Это исследование также привело к заключению о том, что аэрационную ступень следует поднять до уровня около 25 м по вертикали под порогом водослива.

Равномерная аэрация достигалась за счет обеспечения аэрационного канала коллекторного типа с отдельными выпускными отверстиями, расположенными на определенном расстоянии друг от друга по всей ширине лотка, как было предложено в работе Ozturk et al. Подвод воздуха в эти каналы осуществляется через воздухозаборы, размещенные непосредственно за струенаправляющими стенками основного водослива. Входные отверстия воздухозаборов находятся выше уровня воды, соответствующего паводку расчетной обеспеченности, а их форма позволяет минимизировать возмущение потока в чрезвычайных обстоятельствах.

По данным, представленным Ozturk с соавторами, при условии размещения воздухоподводящих каналов на лотке на расстоянии 10 м друг от друга расчетная степень вовлечения воздуха составила 10%. Такое значение соответствует с данными моделирования, приведенными в работе Pinto [19896]. Для основного водослива при условии пропуска паводка средней обеспеченностью 1:20 000 было принято значение потребности в воздухе, приблизительно равное 110 м3/с. Выбор размеров воздухоподводящих каналов основывался на методике, представленной в источнике USBR [19908], и был выбран канал диаметром 2,5 м.


  1. Оптимизация методом компьютерного гидродинамического моделирования




    1. Основные принципы компьютерного гидродинамического моделирования


До того, как была окончательно утверждена конструкция, на основе которой должны были определяться плановые издержки и стоимость проекта, была проведена начальная стадия оптимизации с использованием метода компьютерного гидродинамического моделирования (CFD-моделирования). Сначала выполнялось двухмерное моделирование водослива, а затем и трехмерное. Гидравлика ступенчатых водосливов тщательно изучалась при помощи лабораторных исследований и натурных испытаний. В дополнение к физическим исследованиям несколько авторов опубликовали данные проведенного двумерного компьютерного гидродинамического моделирования (CFD-моделирования) ступенчатых водосливов, где было дано подтверждение лабораторных данных результатами компьютерных расчетов. Эти исследования продемонстрировали перспективность метода компьютерного гидродинами-ческого моделирования для практического проектирования ступенчатых водосливов.

В ходе данных исследований основной задачей CFD-моделирования было подтверждение правильности расчетных кривых расхода воды для основного и вспомогательных водосливов, а также параметов работы вспомогательных водосливов, в частности, характеристик потока в береговых возвратных каналах. Кроме того, рассматривались такие вопросы, как профили водной поверхности и распределение давлений по участкам порога и ступеням из укатанного бетона.

На начальной стадии моделировались типовые профили гребней основного и вспомогательного водослива методом двумерного моделирования. Двумерные модели можно быстро создавать и применять, что дает возможность в течение достаточно короткого времени исследовать и оценить большое число различных геометрических конфигураций, вариантов потока и расположения моделируемых объектов. В этом случае поток, протекающий над пороговой частью водослива, можно аппроксимировать как двумерный, и в этом качестве результат двумерного моделирования можно сравнить с предварительными оценками расхода воды через порог, полученными эмпирическим методом.

В задачи двумерного моделирования входило:

Для использования в двумерном моделировании была выбрана компьютерная гидродинамическая модель FLUENT. В этой модели имеется специализированный режим двумерного моделирования и большой набор опций многофазного моделирования; ранее она применялась для моделирования водосливов в двух и трех измерениях, в том числе для сопоставления с результатами, полученными на масштабной модели, и с данными прототипа (опытного образца). Основными чертами в рассматриваемом процессе моделирования являются:

Вслед за этапом двумерного моделирования водослив был представлен в трехмерном виде с использованием сеточного программного обеспечения GAMBIT (выпущенного компанией ANSYS Inc.). Размеры конструкции водослива были взяты из цифровых чертежей, выполненных в программе AutoCAD. На Рис. 4 показана смоделированная в трехмерном измерении область, а также успокоительный бассейн в увеличенном виде.




Рис. 4. Компьютерная гидродинамическая модель

(CFD-модель) в трехмерном представлении.


При создании трехмерной сетки для этой области на пути разработчиков встретилось несколько трудных задач. В связи с большими размерами данной области и сложной геометрией порога и ступеней требовалось, чтобы модельная сетка включала в себя очень большое количество элементов. Более объемные модельные сетки требуют больших расчетных усилий (большего времени для вычислений) и дополнительной компьютерной памяти. Благодаря использованию значения минимального приемлемого разрешения сетки, полученного в ходе предварительного двумерного моделирования, удалось свести к минимуму размер трехмерной модельной сетки.


    1. Подтверждение кривых пропускной способности (расхода воды)


Первоначально кривые расходов воды были разработаны на базе эмпирических данных, приведенных в USACE [19879]. Исходя из этих данных, было принято, что коэффициент стока для основного порога изменяется от 1,71 при низком напоре до 2,3 при напоре, характерном для паводка расчетной обеспеченности. Для вспомогательного порога был принят коэффициент в диапазоне от 1,46 до 1,63.

По результатам проведенного двумерного компьютерного гидродинами-ческого моделирования коэффициенты стока и кривая расходов воды на водосливе были проанализированы и пересмотрены (см. Рис. 5). Обнаружилось, что основной водослив в целом на 10% менее эффективен, чем было указано в информации USACE, тогда как эффективность вспомогательного водослива оказалась значительно ниже ожидаемой при низких значениях стока, а при модуле стока свыше 12 м3/с/м – выше ожидаемой. На рисунке приводятся кривые расходов воды, построенные по данным USACE, и откорректированные в соответствии с результатами CFD-моделирования. На основании этого моделирования были внесены некоторые изменения в конструкцию вспомогательного водослива и глухого порога.



Рис. 5. Коэффициенты стока на водосливе (вверху)

и кривые расходов воды (внизу)




    1. Анализ давления на пороге и ступенях водослива


Были повторно проанализированы уровни давления на пороге основного и вспомогательных водосливов, чтобы учесть результирующие усилия в расчете устойчивости сечения гравитационной плотины. В отношении основного водослива было также выполнено сравнение с опубликованными данными. На Рис. 6 представлены результаты для уровня стока, соответствующего паводку расчетной обеспеченности, с Н/Нd = 1 для основного водослива и Н/Нd = 2 для вспомогательного водослива.

Ожидается, что благодаря утвержденной правильно выбранной форме порога давление над порогом основного водослива будет положительным, и будет достигнуто приемлемое соотношение между результатами компьютерного гидродинамического моделирования и данными по распределению порогового давления, опубликованными в USACE [19879]. Что касается вспомогательного водослива, положительное давление прогнозируется для плоской части порога, а отрицательное давление будет развиваться по переходной кривой на низовой стороне порога. Циклические давления, на присутствие которых указывают данные CFD-моделирования, являются результатом ступенчатого профиля, который начинается на расстоянии 5,7 м ниже верховой грани плотины. Вниз по течению от данной точки каждый цикл соответствует одной ступени, причем по данным CFD-моделирования предполагается наличие пиков минимального или отрицательного давления на вертикальной грани каждой ступени, и возрастание давления до максимума на низовой кромке каждой горизонтальной грани ступени. Аналогичные циклические колебания давления прогнозируются также в ступенчатой области основного водослива.




Рис. 6. Давление на пороге основного водослива (вверху)

и вспомогательного водослива (внизу), и обзор

давления на пороге и ступенях водослива.


Информация о колебаниях давления на ступенях водослива, полученная на масштабной модели, представлена в работе Amador et al [2009]. По результатам КОМПЬЮТЕРНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО-моделирования прогнозировались значения и характер распределения давления на горизонтальных поверхностях ступеней, аналогичные приведенным у Amador et al. Предполагалось, что наивысшие значения давления будут наблюдаться на низовой кромке каждой ступени, а минимальные – на расстоянии примерно двух третей ширины ступени от ее края. По данным исследования Amador et al, на вертикальных гранях ступеней давление должно было быть низким или даже отрицательным в верхней части плоскости ступени и возрастать в нижней части грани. Оказалось, что результаты CFD-моделирования в данном случае не подтверждают картину такого распределения давления, как это было в случае с горизонтальными поверхностями ступеней. Этот вопрос будет изучаться далее в сочетании с результатами исследований на физической модели, когда она появится.


    1. Оценка работы вспомогательных водосливов


На стадии окончательного определения плановых издержек и стоимости проекта самое большое беспокойство вызывала работа береговых возвратных каналов, а именно вопрос, будет ли входящий в эти каналы поток удерживаться стенкой нижнего бьефа. В первоначальном проекте ступени, формирующие лоток канала, были направлены перпендикулярно оси плотины (см. Рис.7). В процессе моделирования этого первоначального варианта конструкции было замечено, что при высоких значениях расхода распределение потока по поперечнику береговых возвратных каналов становилось неравномерным, причем у стенки на низовой стороне канала уровень воды был очень высок. Чтобы устранить это явление, было предложено отклонить ступени канала, расположив их под углом по отношению к направлению, заданному в первом варианте. Эта мера, способствовавшая рассеянию энергии высокоскоростного потока, входящего в канал, должна было заставить его направляться вниз по каналу, а не ударяться на большой скорости о низовую стенку зуба плотины. Было смоделировано два варианта с отклонением ступеней на 15 и 30 от основного положения (см. Рис.7). Аналогичный подход применялся и для других похожих конструкций водосливов, где в береговых возвратных каналах строились отдельные блоки, призванные разделять и направлять текущий с высокой скоростью поток.




Рис. 7. План участка, иллюстрирующий расположение ступеней

в береговом возвратном канале на правом примыкании

для первоначального варианта перпендикулярно оси

плотины (слева) и с отклонением на 30 от нее (справа).


Результаты моделирования варианта с отклонением на угол 15 показали, что изменение угла расположения ступеней позволило уменьшить набегание на низовую стенку. В процессе этого моделирования набегание снизилось приблизительно до 5 м. Увеличение угла отклонения ступеней до 30 еще больше снижало набегание потока на стенку. При определении плановых издержек и стоимости проекта был принят угол отклонения ступеней, равный 22,5, позволивший добиться сочетания максимальных преимуществ по гидравлике с минимальным дополнительным объемом укатанного бетона, необходимого для строительства таких отклоненных от перпендикулярного расположения ступеней.


    1. Типовые результаты компьютерного гидродинамического моделирования



Пример полученной трехмерной водной поверхности показан на Рис. 8. На этом рисунке заметны значительные колебания уровня поверхности воды в области успокоительного бассейна в результате соединения потоков с основного водослива и из береговых возвратных каналов. Как отмечалось ранее, жидкость моделировалась как воздушно-водяная смесь. На правой части Рисунка 8 наглядно отображены профили поверхности воды; темно-синие области обозначают 100% воздух, а красные – 100% (неаэрированную) воду. Верх красных областей является поверхностью воды. Также наглядно видна заметная разница в уровнях водной поверхности, необычный характер течения и неравномерное распределение потока в береговых возвратных каналах.





Рис. 8. Примеры изображений, полученных методом CFD-моделирования:

профиль водной поверхности (слева) и трехмерные слои,

отображающие границу воздуха и воды (справа) при стоке

3700 м3/с (для случая средней обеспеченностью  1:1 000 000).




  1. Проверка и отладка конструкции на модели в уменьшенном масштабе




    1. Описание и назначение модели


Уменьшенная физическая модель водослива в масштабе 1:45 была построена для ассоциации Bulk Water Alliance лабораторией Manly Hydraulics Laboratory (MHL) в Сиднее для того, чтобы можно было уточнить и скорректировать окончательную конструкцию, и обеспечить исходные параметры для рабочего проектирования конструктивных элементов водослива. Ниже приведены фотографические изображения этой модели. На модели проверялись такие ключевые аспекты, как основные режимы работы водослива в полном диапазоне возможных уровней паводка, характеристики береговых возвратных каналов в отношении ширины канала, его уклона и высоты стенки нижнего бьефа, размещение и форма воздухозаборных отверстий аэратора, работа успокоительного бассейна и расположение башенного водозабора относительно основного водослива. Изменения вносились в модель последовательно, с тем, чтобы можно было документально зарегистрировать эффект от каждого выполненного изменения. Рассмотренные далее усовершенствования конструкции основывались на наблюдавшихся качественных изменениях в работе водослива, а также на некоторых физических измерениях. Подробные испытания начались тогда, когда была согласована окончательная конструкция. Строительство модели продолжалось приблизительно в течение трех месяцев, а обширная программа испытаний началась примерно через шесть месяцев после завершения модели.




Фото: Уменьшенная модель в масштабе 1:45

(NB: на данной модели воздухозаборы аэратора еще не установлены).



    1. Общая характеристика функционирования водослива


Первые наблюдения за работой физической модели в широком диапазоне течений привели к выводу, что водослив функционирует отлично, и что изменения, внесенные после выполненного CFD-моделирования, явно пошли на пользу конструкции. На этой стадии было отмечено следующее:


Во время написания данной статьи уже шли испытания оснащенной измерительными приборами физической модели. В программу испытаний входило измерение профилей водной поверхности, скоростей, статического и переходного давления, а также запись результатов наблюдений за режимами течений. Еще предстоит провести тщательное сравнение характеристик, полученных на физической модели и на компьютерной гидродинамической модели, но в отношении основных режимов потока наблюдается весьма приемлемое соответствие. В дальнейшем планируется выполнить подробное сравнение точных результатов, особенно в отношении значений давления, измеренных на ступенчатом водосливе и в береговых возвратных каналах, чтобы при создании новых проектов иметь большую уверенность в данных методах проектирования, в частности в использовании CFD-моделирования для сложных конструкций водосливов.


    1. Усовершенствование конструкции


5.3.1. Уменьшение длины порога вспомогательного водослива
Первоначально длина порога вспомогательного водослива выбиралась из условия максимального увеличения длины порога для того, чтобы свести к минимуму риск наводнения в случае паводка расчетной обеспеченности. Однако, у верхнего правого примыкания рельеф поймы становился более плоским, что приводило к уменьшению уклона берегового возвратного канала и, следовательно, понижало эффективность этого канала в данной области. Поэтому было предложено укоротить порог правого вспомогательного водослива на 40 м. Были проведены испытания такой конструкции, которые продемонстрировали заметное улучшение показателей работы возвратных каналов у правого примыкания. Применение более короткого порога водослива позволило увеличить значение форсированного подпорного уровня примерно на 0,35 м, и по предварительным оценкам это изменение не приводило к увеличению стоимости благодаря значительному сокращению объема укладки укатанного бетона и объема выемок под фундамент.
5.3.2. Оптимизация береговых возвратных каналов
Первые прогоны на физической модели показали, что ширина береговых возвратных каналов была не оптимальной. Это было особенно справедливо для верха примыканий, где большая доля низовой части канала не использовалась. На обеих примыканиях ширина каналов была уменьшена на 2-3 м примерно до нижней половины примыкания, а у верхнего конца каждого канала его ширина сужалась почти до нуля. Первоначально предполагалось выполнить из укатанного бетона формирующую каналы стенку нижнего бьефа высотой 5 метров с выступающим дефлектором для сдерживания супер-высокого потока. Были проведены пробные испытания со стенкой 4-метровой высоты и аналогичным дефлектором, продемонстрировавшие полное соответствие такой конструкции эксплуатационным требованиям. При меньшей высоте стенки возрастает сила, действующая на выступающий дефлектор. Сочетание двух этих изменений привело к значительной экономии в отношении общей стоимости строительства объекта, в большой степени благодаря сокращению объема укладки укатанного бетона и объема выемок под фундамент.


      1. Усовершенствования в конструкции успокоительного бассейна


Как упоминалось выше, для расчета плановых издержек и стоимости проекта был принят успокоительный бассейн типа III USBR, и выяснилось, что с точки зрения рассеяния энергии его эксплуатационные качества вполне соответствуют требованиям для паводков средней обеспеченностью до 1:10000, по крайней мере. Чтобы расширить эффективную зону гасителя энергии потока и снизить скорость потока, входящего в нижний бьеф русла реки, было предложено внести некоторые изменения. Предметом для беспокойства в отношении низового русла была опасность возникновения эрозии породы в нижней части крутых примыканий, которая могла привести к неустойчивости примыканий и в конечном итоге к разрушению плотины.

Первая попытка заключалась в увеличении высоты лотковых блоков и блоков шашечных гасителей энергии потока с 1,1 м и 2 м соответственно до 2,5м. В процессе испытаний данной конструкции выяснилось, что такие лотковые блоки не дают существенных преимуществ в смысле рассеяния энергии. Также было обнаружено наличие высокоскоростной струи, протекающей по обеим стенкам успокоительного бассейна. Тогда для улучшения эксплуатационных показателей были предложены следующие изменения:

В ходе проведения испытаний конструкции с внесенными изменениями было доказано, что они обеспечивают существенное улучшение работы успокоительного бассейна. Был проведен замер скоростей в низовом русле реки, и оказалось, что для паводков средней обеспеченностью по крайней мере до 1:10000 значения скорости потока в нижнем бьефе лишь в минимальной степени превышали те, которые можно было бы ожидать в естественном течении теки, если бы на ней не была построена плотина. Картина распределения скоростей по поперечному сечению канала также оказалась более благоприятной и подходящей для окончательной компоновки, т.к. изменения позволили снизить значения скорости вдоль боковых стенок канала и увеличить скорость по центральной части канала.


      1. Выбор формы воздухозаборов аэратора


Первым проектом для воздухозаборных каналов аэратора предусматривалась труба диаметром 2,5 м, выходящая горизонтально на расстояние 8 м из низовой грани плотины внутри корпуса из массивного бетона, расположенного вдоль внешней поверхности струенаправляющей стенки основного водослива. Бетон над этой трубой был сформирован в форме гребня с целью минимизации возмущения потока при чрезвычайных событиях. В процессе испытаний данной формы воздухозаборного устройства обнаружилось отклонение потока за границы водослива на нижние примыкания. После этого были выполнены испытания конструкции со следующими внесенными изменениями:

Испытания показали, что при такой компоновке устройство работает удовлетворительно, и отклоненный поток хорошо удерживается в пределах вспомогательного водослива.


      1. Оптимизация места расположения башенного водозабора


Башенный водозабор водопроводной магистрали расположен на верховой грани на расстоянии приблизительно 50 м влево от оси основного водослива. Для расчета стоимости проекта было принято такое смещение от центра, призванное свести к минимуму возможность возмущений потока, входящего в основной водослив. При таком расположении башенного водозабора для его основания требовался большой объем выемок с откосами выемки высотой до 45 метров. Явный выигрыш по стоимости, безопасности и времени строительства, в основном за счет значительного сокращения объема выемок, можно бы было получить в случае смещения башенного водозабора ближе к входу в основной водослив. Были выполнены модельные испытания с башенным водозабором, сдвинутым на 5 м и 10 м ближе к водосливу, для случаев средней обеспеченности 1:1000. В ближайшем положении расстояние от башенного водозабора до входа в основной водослив было менее 5 метров. Выяснилось, что даже при таком расположении влияние на входящий в водослив поток незначительно, и поэтому было решено перенести башенный водозабор в это место. В случае такого размещения башенного водозабора высота откосов выемки, прилегающих к основанию башни, сокращается до значения меньше 25 метров.



  1. Выводы


В статье рассматривается процесс разработки основных конструктивных особенностей компоновки сложного водослива, предложенного для проекта плотины Enlarged Cotter Dam. Ключевыми аспектами, которые могут применяться и для других аналогичных водосливов, являлись оценка взаимодействия между стоками основного и вспомогательного водосливов, обзор работы и оптимизация конструкции береговых возвратных каналов, и учет возможной кавитации и требований по аэрации.

В процессе проектирования сложных конфигураций водосливов можно получить явный экономический эффект по стоимости и времени, если использовать структурированный подход, предполагающий применение числового и физического моделирования на соответствующих стадиях. На каждом этапе разработки проекта конструкцию можно оптимизировать и уточнять в пределах возможностей используемых методов расчета и моделирования. Следует отметить, что данный процесс будет варьироваться в зависимости от сложности компоновки конструкции, и что для менее сложных конфигураций потребуются не все этапы моделирования.

Чрезвычайно важно до начала этапа моделирования разработать конструкцию с использованием теоретических и эмпирических методов. После этого можно приступить к цифровому моделированию методами CFD, которые позволяют быстро выполнить анализ режимов потока и определить проблемные области. Затем можно быстро и экономично смоделировать и оценить альтернативные варианты конструкции, чтобы устранить выявленные проблемы. С точки зрения затрат по стоимости и времени физическое моделирование целесообразно начинать тогда, когда появится уверенность, что общая компоновка водослива определена и внесения в нее существенных конструктивных изменений не потребуется. В большинстве случаев рекомендуется применять программу физического моделирования только на стадии окончательного уточнения и подтверждения конструкции. По оценкам, стоимость компьютерного гидродинамического моделирования составляет приблизительно 10% от стоимости программы физического моделирования, а затраты на физическую модель равны примерно 0,2% полной стоимости строительства объекта. Необходимо отметить, что в результате оптимизации конструкции была сэкономлена сумма, по крайней мере, равная этим затратам.

В дальнейшем необходимо будет еще выполнить оценку на основании подробных и точных результатов, полученных в процессе цифрового и физического моделирования, но данный проект продемонстрировал, насколько полезны рассмотренные методы моделирования для оптимизации и уточнения этой сложной конфигурации водослива.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации