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: По-
волжский 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 моногра-
фии рассмотрены динамические средства защиты нижних бьефов гидротехнических 
сооружений от размыва. Приведены расчеты сопряжения бьефов в пространствен-
ных 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 лаборатор-
ных 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 со-
оружениями
18

1.4.
Cведения о свободных гидравлических струях
21

1.5.
Принципы математического моделирования движе-
ния 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 обла-
стей размыва дна нижнего бьефа гидроузла
204

Заключение
212

Библиографический список
216

Приложение 1.

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

Приложение 2.

Применение искусственной поперечной цир-
куляции для регулирования русловых процес-
сов в нижнем бьефе гидроузлов. Расчет кине-
матических характеристик потока при работе 
двух вихревых поперечных донной галерей.
234

Приложение 3.

Расчет параметров руслоформирующего про-
филя. Построение сечения профиля NASA 
0302. Pасчет несущего каната руслоформиру-
ющего профиля
242

Приложение 4.
Геометрические характеристики профиля
250

Приложение 5.
График расхода мерного прямоугольного во-
дослива
253

Приложение 6.
Построение графика расхода мерного тре-
угольного 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 частности, 
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 интен-
сивные процессы размыва дна происходят на участках, непосредственно 
примыкающих к сбросным сооружениям, и затухают по мере продви-
жения вдоль нижнего бьефа. При динамическом воздействии струйных 
течений, возникающих в нижней части рисбермы, размывается основа-
ние 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 пульса-
ционной скорости восходящей струи происходит их вынос в поверх-
ностную часть руслового потока. Поток насыщается наносами, повы-
шающими 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 отно-
сительно строительной отметки грунта. 

В связи с этим на всех стадиях проектирования, строительства и 

эксплуатации гидротехнических сооружений возникает проблема реше-
ния многообразных задач гидродинамики, теоретической механики, 
сопротивления материалов, требующих надежного и эффективного вы-
числения и обоснования параметров русловых процессов при различ-
ных 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-

нением независимо сгенерированных компьютерных программ, реали-
зованных 
на 
не 
совместимых 
между 
собою 
информационно-

технологических платформах. 

Построение алгоритмов расчета на основе единого информационно-

технологического подхода приводит к повышению эффективности и 
надежности, снижению стоимости и обеспечению безопасности функ-
ционирования гидроузлов и, в частности, водорегулирующих сооружений. 
В связи с этим тема настоящей работы, посвященной совершенствованию 
информационно-технологического обеспечения проектирования 
гидротехнических объектов, является чрезвычайно актуальной. 

В результате реализации отмеченных положений формируются 

научные основы автоматизированного проектирования средств предотвращения 
размыва русла в створах, расположенных ниже рисбермы 
гидротехнических сооружений. В качестве основного технического 
средства защиты нижнего бьефа гидроузлов рассматриваются гибкие 
струенаправляющие гидродинамические профили, погруженные в среднюю 
часть потока. Формируемые такими профилями вихревые следы 
создают индуцированные течения, снижающие скорость пульсационной 
восходящей струи в области размыва дна. При этом предусматривается 
создание единой информационно-технологической структуры расчета 
параметров нижних бьефов водосливных плотин на основе прикладной 
программной среды MathCad. 

В ходе анализа гидравлических явлений определены условия свободного 
растекания потока в нижнем бьефе водосливной плотины и 
выявлены условия возникновения спокойного сбойного течения. 

Расчеты, выполненные в среде MathCAD, показали, что в случае 

установки донных галерей на рисберме водосливной плотины величина 
индуцированной скорости недостаточна для регулирования русловых 
процессов за концевыми креплениями нижнего бьефа. Это вызывает 
необходимость разработки регуляторов скорости потока, основанных на 
новом принципе действия. 

На основе теории крыла и вихревых дорожек определена скорость, 

индуцированная в потоке от действия руслоформирующего профиля, 
найдены его подъемная сила и сила лобового сопротивления и количе-
ство движения. 

Разработана схема устройства для регулирования русловых процес-

сов в нижних бьефах гидроузлов на основе профиля из гибких материа-

лов и предложены варианты его исполнения в виде пластин, дужек, 
симметричных или слабоизогнутых профилей (профили NACA 0302 и 
Жуковского). 

В результате статических расчетов в среде MathCAD найдены геомет-

рические и силовые характеристики системы «канат – профиль» и полу-
чены зависимости для уравнения цепной линии и натяжения каната. 

Для конструктивной реализации предлагаемого устройства произве-

ден выбор материалов для изготовления гибких профилей и предложена 
технология их изготовления из тканых материалов. 

Разработанное вихревое струенаправляющее устройство на основе 

профиля из гибких материалов было проанализировано теоретически на 
основе вихревой теории крыла и теории вихревых дорожек Кармана. 
Расчеты циркуляции вокруг профиля, индуцированных скоростей, силы 
лобового сопротивления, подъемной силы и других характеристик гид-
родинамического взаимодействия гибкого профиля и внешнего потока 
были выполнены в программной среде MathCAD. 

В результате экспериментальных исследований процесса обтекания 

профилей из гибких материалов в гидравлическом лотке была установ-
лена принципиальная возможность регулирования размыва русла с по-
мощью формируемых ими вихревых следов. 

Расчет общей глубины воронки размыва для случая применения 

руслоформирующего профиля показал, что глубина воды в воронке 
размыва снижается на тридцать процентов по отношению к случаю не-
регулируемого размыва. 

Для моделирования русловых процессов использовалась модель во-

досливной плотины, установленная в гидравлическом лотке. С целью 
анализа процессов размыва русла в области установки профиля дно 
лотка покрывалось слоем речного песка для изучения его поверхност-
ной деформации. Наблюдались остановка переноса песка в области 
установки профиля и последующий процесс формирования донных гряд 
ниже по течению. 

Автором обоснована методика оценки эколого-экономического рис-

ка эксплуатации гидротехнических сооружений на основе закона Пуас-
сона, введены приближенные оценки последствий разрушения гидро-
узлов. В работе приведена методика технико-экономического обоснова-
ния поиска областей размыва дна нижнего бьефа гидроузла.