Автореферат Кошумбаева


                                                                                                      

УДК 631.7, 627.834, 627.838, 687.83                                       На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

КОШУМБАЕВ  МАРАТ  БУЛАТОВИЧ

 

 

 

 

Повышение безопасности гидротехнических сооружений при чрезвычайных ситуациях путем усовершенствования конструкции водосбросов

 

 

 

05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

 

                                        

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы,  2008

 

Работа выполнена в Казахском национальном аграрном университете.

 

 

Научный консультант:                    доктор технических наук

Ж.К. Касымбеков

 

 

Официальные оппоненты:              доктор технических наук

                                                        Т.К. Калыбеков

 

                                                        доктор технических наук

                                                        В.М. Плотников

 

                                                                  доктор технических наук

                                                                  С.М. Койбаков

 

 

Ведущая организация:                    Институт горного дела им. Д.А. Кунаева

 

 

 

Защита диссертации состоится «30» июня 2008 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И. Сатпаева, 22 в конференцзале НК (1 этаж).

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И. Сатпаева, 22.

 

 

 

Автореферат разослан «30» мая  2008 г.

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                     Жараспаев М.Т.

 

 

Введение

Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена снижению вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на гидротехнических сооружениях (ГТС) посредством повышения пропускной способности водосбросов и эффективности гашения энергии сбросного потока. Для достижения указанной цели были разработаны и использованы водосбросы с клиновидными покрытиями водослива, гидротехнический перепад, шахтные водосбросы и схемы защиты ГТС от размыва нижнего бьефа. Изучены теоретические вопросы процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф на основе определения критических параметров и опасных зон. Исследованы влияния различных параметров на пропускную способность водосбросов, степень эффективности гашения кинетической энергии воды, кавитационную безопасность шахтного водосброса и безнапорный режим в отводящем туннеле. Разработаны рекомендации по предотвращению аварий на ГТС, по современным конструкциям водосбросов, гасителей и независимых источников энергии, а также инновационная методика расчета инвестиции для их внедрения в проектах, подверженных влиянию ЧС.

Актуальность проблемы. Чрезвычайные ситуаций на ГТС связаны преимущественно с низкой пропускной способностью водосбросов и размыва грунта нижнего бьефа, вызванного неэффективным гашением энергии сбросного потока. Особенностями сопряжения бьефов является то, что створ возведения гидроузлов имеет свои особенности и наблюдаются различные параметры потока воды и рельефа местности.

Существующие ГТС, находящиеся под высоким давлением, имеют значительные размеры. Меры по рассеиванию энергии высокоскоростного потока направлены для предупреждения размыва русла реки, снижения эрозии и предотвращения разрушении отводящего туннеля и самой плотины. Используемые для этого водосбросы и гасители требуют дальнейшего усовершенствования в целях увеличения пропускной способности и эффективного гашения кинетической энергии воды.

Однако, до настоящего времени режимы работы водосбросов по повышению пропускной способности, а также по эффективному гашению энергии сбросного потока с применением вихревого эффекта исследованы недостаточно. Используемые на практике методики Гидропроекта им. С.Я. Жука и руководства по практическому расчету размеров конструкции водосбросов и гасителей Казахского научно-исследовательского института энергетики им. Ш.Ч. Чокина (КазНИИЭ) расходятся в своих общих положениях, поскольку они построены на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием формул гидравлического прыжка, которые не всегда применимы на практике.

Усовершенствованными конструкциями, влияющие на снижение ЧС на ГТС, могут служить водосливы с клиновидным креплением, гидротехнические перепады самоочищающиеся от наносов, шахты с тангенциальным вводом в камеру гашения, гасители с закруткой воды, а также аэрацией и деаэрацией потока.

Исходя из вышеизложенного, следует считать, что вопросы усовершенствования конструкции водосбросов и гасителей представляют самостоятельную, актуальную, социально значимую проблему, связанную со снижением опасности чрезвычайных ситуаций.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Казахского национального аграрного университета и КазНИИЭ в рамках координационного плана по проблеме 0.41.0.55.08, задание 06.НЗ, тема 172.01.86-90 «Разработка новой водосбросной установки с использованием новых конструкций, методов расчета и внедрение их в производство, а также по хоздоговорным темам 176.04.85-86 «Гидравлические исследования водосбросных сооружений Бестюбинского гидроузла» и 175.04.88-88 «Обоснование разработки технического предложения по рабочему водовыпуску Бестюбинского водохранилища. Крупномасштабные исследования выходного оголовка, узла гашения и участка отводящего русла».

Цель работы: повышение безопасности гидросооружений и устранение вероятности возникновения причин, вызывающих чрезвычайные ситуации, путем теоретических и экспериментальных исследовании и усовершенствования конструкции водосбросов открытого и шахтного типов, гасителей с завихрителем потока.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:

- математическое моделирование процессов, влияющих на безопасность гидротехнических сооружений;

- разработать современные конструкции водосбросов с повышенной пропускной способностью, снижающий риск возникновения чрезвычайных сооружений на гидротехнических сооружениях;

- усовершенствовать схемы защиты гидротехнических сооружений от размыва нижнего бьефа и создания безопасных условий эксплуатации;

- изучить влияние кавитационных процессов и волн возмущений на безопасную работу и эксплуатацию шахтных водосбросов;

- разработка рекомендации по усовершенствованию конструкции независимых источников энергии для обеспечения безопасности жизнедеятельности и внедрение методики расчета инновационных решений для проектирования объектов, подверженных воздействию техногенных катастроф.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическое моделирование процесса безопасного перетока воды в системе гидросооружения и снижение возникновение чрезвычайных ситуаций за счет определения опасных зон и критических параметров сбросного потока;

- разработка и применение современных конструкции водосбросов гидротехнических сооружений открытого типа (п/патент № 13045 KZ), обеспечивающее устойчивость покрытия откоса клиновидными плитами, путем их жесткого крепления на полый каркас тела плотины;

- усовершенствование конструкции шахтного водосброса (п/патент № 13053 KZ) с целью диссипации (рассеивания) кинетической энергии сбросного потока и уменьшения негативного воздействия потока воды на гидросооружение;

- особенности работы гидротехнических сооружений с защитными элементами, в которых используется вихревые потоки и соударение закрученных струй (п/патент № 13048 KZ), позволяющий снизить в нижнем бьефе параметр удельного расхода потока воды и значение максимальной скорости течения воды до безопасных величин (2,0-7,0 м/с);

- получены расчетные зависимости для устранения кавитационной опасности в зонах пониженного давления в шахте водосброса и создания безнапорного режима в отводящем туннеле;

- разработаны современные конструкции независимых источников энергии при возникновении чрезвычайных ситуации, необходимые для энергообеспечения в аварийных случаях, предложена методика расчета инновационных решений, позволяющая финансовым структурам принять решение по их внедрению в проекты, которые связаны с возможными причинами техногенных катастроф.

Научная новизна заключается в следующем:

- впервые предложена методика моделирования процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф гидросооружения, которая отличается от существующих тем, что для обеспечения их безопасности определяются критические, технологические параметры, влияющие на возникновение ЧС и позволяющие установить наиболее опасные зоны;

- усовершенствована и изучена особенность конструкции открытого водосброса, обеспечивающая устойчивость водосливного откоса. Установлено, что безопасность работы сооружения достигается за счет формирования вокруг полого каркаса тело плотины с установлением на нем защитных плит;

- научно обоснована система создания безопасности гидротехнических сооружений путем использования шахтного водосброса, улучшающего условия гашения энергии сбросного потока с применением искусственной шероховатости на поверхности камеры гашения;

- впервые предложен способ гашения энергии, отличающийся от традиционных тем, что в подводящем водоводе установлены клиновидный рассекатель и узел закрутки потока, что приводит к снижению в нижнем бьефе удельного расхода воды в 15-20 раз и величина максимальной скорости до требуемых значений (2,0-7,0 м/с), исключающий эрозию грунта русла реки и повышающий безопасность сооружения в целом;

- экспериментально и теоретически установлено, что возникновение опасных волн возмущения, оказывающие неравномерное распределение давления на стенки туннеля, создает опасные условия, приводящих к нарушению безнапорного режима в отводящем туннеле, а устойчивость достигается за счет установки элементов подвода и вентиляционного движения потока воздуха.

Определено, что подвод воздуха в требуемые зоны пониженного давления (вакуума) до 0,7 МПа обеспечивает кавитационную безопасность шахтных водосбросов;

- предложены современные конструкции независимых источников энергии для энергообеспечения в аварийных ситуациях. Разработана методика расчета инновационного характера, позволяющая достоверно определить инвестиционные затраты при внедрении интеллектуальной собственности на объектах, подпадающих под влияние чрезвычайных ситуации.

Патентная чистота предлагаемых конструкций водосбросов и гасителей подтверждена 2 изобретениями СССР, евразийским патентом и 20 патентами Республики Казахстан.

Практическая ценность. Разработанные рекомендации по обеспечению безопасности ГТС позволяют значительно увеличить срок службы гидроузлов, а также снижают риски возникновения аварий на водохозяйственном объекте при чрезвычайной ситуации.

Новые конструкций водосбросов повышают надежность работы сооружений и расширяют область их применения. Предложенные методы гидравлического расчета способствуют определению безкавитационного режима, обеспечению стабильного режима потока на верхнем бьефе и устранению пульсационных нагрузок при гашении кинетической энергии потока в нижнем бьефе.

Предлагаемые автором конструкций водосбросов и методы их расчетов могут быть включены в программы учебных курсов по безопасности ГТС и использованы при курсовом и дипломном проектировании объектов, подверженных влиянию чрезвычайных ситуации.

Реализация и внедрение. Новая конструкция шахтного водосброса внедрена в Бестюбинском гидроузле Алматинской области в 1987г., усовершенствованная конструкция вихревого гасителя использована на нижнем бьефе плотины на р. Кара-Биен Алматинской области в 2004г., конструкция наносоуловителя внедрена на водоемах Акмолинской области (ТОО «ЗЕРЕН-30») в 2005г., результаты исследований в виде переливной плотины и гидротехнического перепада установлены в системе водоснабжения г. Кокшетау (РГП «Северводстрой») в 2006г., а также в гидроузлах Акмолинской области на р. Караменды (плотина из местных материалов, ТОО «А.П.-ИМПЭКС») в 2004г. и на р. Камысакты (гидротехнический перепад, ТОО «ВИТЭКС-2002») в 2005г. Результаты исследований внесены в уставный капитал казахстанских компаний в виде объектов интеллектуальной собственности (ТОО «ВИТЭКС-2002», ТОО «Жана-Туган-7»).

Методы гидравлического расчета и рекомендации по проектированию водосбросов и гасителей нашли применение в проектах Казахского филиала Института «Гидропроект им. С.Я.Жука» (1990г.), РГП «Талдыкурган-ирригация» (2000 г.) и РГП «Северводстрой» (2006г.).

Суммарный экономический эффект от внедрения разработок на ГТС вышеуказанных предприятий составил более 40 млн. тенге.

Апробация работы. Основное содержание работы и полученные результаты докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современные проблемы механики». Часть 1 «Механика жидкости и газа» (Алматы, 2001 г.), на Межвузовской научной конференции «Экология» (Алматы, 2006 г.), на Международном семинаре «Сели и наводнения: Стратегия безопасного строительства и сокращения риска стихийных бедствий» в рамках проекта UN/ISDR «Продвижение Стратегии Безопасного Строительства. Образовательная Сеть для Центральной Азии» (Алматы, 2006 г.), на Международной конференции «Проблемы современной механики». Часть 1 «Механика жидкости и газа» (Алматы, 2006 г.), на III-й Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира - 2006», том 8 (Днепропетровск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Перспективы развития сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения в Республике Казахстан» (Алматы, 2006 г.), на Международном симпозиуме «Проблемы высшей школы – сквозь призму новых идей» (Кокшетау, 2006 г.), на Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (Зыряновск, 2006).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 62 научных трудах, в том числе индивидуальных 42, из них три в зарубежных изданиях, 44 статей в 12 изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников 213 наименований, и 25 приложений, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы. Работа изложена на 217 страницах, содержит 79 рисунков и 9 таблиц.

 

Основная часть

Во введении дана краткая оценка состоянию решаемой проблемы, обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулированы цель работы и задачи исследования, а также отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

 

1 Современное состояние вопроса возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях

В первом разделе диссертации изложены современное состояние изученности проблемы чрезвычайных ситуаций на ГТС и оценка основных причин, влияющих на безопасность объектов исследований.

Анализ показывает, что основными причинами более 1 тыс. аварий крупных ГТС является разрушение основания и недостаточная пропускная способность водосброса, когда вода переливается через гребень плотины (таблица 1.1).

 

Таблица 1.1 -  Причины аварий на ГТС

Причины разрушений

Частота, %

Разрушение основания плотины

40

Недостаточная пропускная способность водосброса

23

Слабость конструкции гасителя

12

Кавитационная эрозия

10

Высокое давление на плотину

5

Военные действия

3

Оползание откосов

2

Дефекты материалов

2

Неправильная эксплуатация

2

Землетрясения

1

 

Риски возникновения ЧС зависят от материала тела плотины. Во многих случаях размыв нижнего бьефа из-за неэффективного гашения избыточной энергии сбросного потока является причиной разрушения сооружения. Соотношение аварий на различных типах плотин показано в таблицы 1.2.

 

Таблица 1.2 - Аварии на плотинах различных типов

Тип плотины

Частота аварий, %

Земляная

53

Бетонная гравитационная

23

Защитные дамбы из местных материалов

4

Арочная железобетонная

3

Плотины других типов

17

 

Как видно из таблицы 1.2 каждая вторая авария связана с земляными плотинами, а разрушение бетонных гравитационных плотин в два раза меньше. Анализ катастрофических разрушений ряда плотин, их последствий, изучение причин и закономерностей различных рисков свидетельствует, что обеспечение безопасности ГТС не всегда имеет комплексное решение. Наиболее частые причины аварий - это нарушение правил проектирования, строительства и эксплуатации, низкая эффективность государственного надзора, недостаточное финансирование мероприятий по обеспечению безопасности. Но основной фактор снижения безопасности работы ГТС связан с несовершенством его конструкции, в частности водосбросных сооружений.

Проблеме безопасности гидросооружений относятся труды А.А. Абросимова, А.И. Альхименко, Т.Х. Ахмедова, Н.Д. Беляева, А.Б. Векслера, В.В. Дегтярева, И.Н. Иващенко, Ж.К. Касымбекова, В.Д. Костюкова, В.А. Котляревского, Н.П. Лаврова, А.С. Марченко, М.М. Мырзахметова, С.М. Слисского, Б.С. Степанова, Д.В. Стефанишина, Ш. Усупбаева, Ю.Н. Фомина, Bergh H., Dossche M., Forsman B., Krogh M., Novak P., Verhey H. J. и др. Опыт инженерного реагирования на чрезвычайные ситуации на основе данных о катастрофах исследованы Алексеевым В.А., Беловым Ю.А., Виноградовым А.В., Жараспаевым М.Т., Забегаевым А.В., Койбаковым С.М., Кочетковым К.Е., Константиновым В.Ф., Черепановым Э.Н. и др., вопросы идентификации негативных факторов и их источников, прогнозирование и оценка возможных последствий аварий и катастроф природного и антропогенного характера, планирование мероприятий по предотвращению или уменьшению вероятности возникновения аварий и сокращению масштабов их последствий рассмотрены Акимовым В.А., Алтаевым Ш., Бобок С.А., Быковым А.А., Владимировым В., Журавлевым В.П., Игбаевым Т.М., Корсаковым Г.А., Мастрюковым Б.С., Морозовым В.Н., Рейховым Ю.Н., Шахраманьян М.А и др.

В нашей стране в 2005 г. Постановлением Правительства Республики Казахстан принята «Концепция предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и совершенствования государственной системы управления в этой области», а в начале 2007 г. утвержден «Экологический кодекс Республики Казахстан», имеющий силу закона.

Анализ значительной части этих работ показывает, что основной причиной возникновения аварийных ситуации является снижение пропускной способности водосбросного сооружения. Для ее повышения предусмотрены различные мероприятия, учитывающие физические свойства потока и по адаптации конструкции ГТС к новым условиям.

Как видно из практики, безопасную работу ГТС в значительной мере можно обеспечить путем регулирования степени гашения энергии сбросного потока. При легкоразмываемом основании обычно применяют облицованный водобойный колодец, а при среднеразмываемом – отброс струи в необлицованную яму.

В ходе анализа безопасности ГТС установлено, что проблема надежной работы водосбросов связана не только гидродинамическими параметрами потока, но и пространственной конфигурацией самой конструкции. Для этого необходимо усилить инженерное решение по усовершенствованию водосбросных сооружений, позволяющих создать оптимальную схему течения потока, которая связана с условиями подвода воды на входе, режимом сброса в нижнем бьефе.

Комплексное решение данной проблемы требует моделирования процесса и исследования участвующих элементов в расчетных и полупромышленных условиях.

 

2 Математическое моделирование процессов, влияющих на безопасность гидротехнических сооружений

Второй раздел диссертации посвящен математическому моделированию процессов, влияющих на безопасность ГТС. Основные задачи гидравлики сводятся к решению уравнении Бернулли или гидравлического прыжка. Применение теории турбулентных струй жидкости рассмотрены в работах Ю.А. Александрова, Т.Х. Ахмедова, А.И. Квасова, М.А. Михалева, Е. Хайслера, Н.И. Яворского. Во многих исследованиях широко применяется широко известный в теории турбулентных струй метод интегральных соотношений. Двухфазные струйные потоки изучались В.М. Алышевым, Б.К. Алияровым, Д.А. Дрю, Ш.А. Ершиным, К. Иамади, Г.Б. Шерьяздановым и их исследования приводят к аналитическому решению уравнения Гертлера. В последнее время получило распространение вычислительные эксперименты на основе численных расчетов осредненных по времени уравнений Навье-Стокса для турбулентных течений. Теоретическое и экспериментальное изучение закрученных потоков в вертикальной и горизонтальных трубах приводятся в работах А.И. Одгарда, Э.П. Волчкова, А.П. Мордасова, Г.А. Руссо.

Для практических инженерных расчетов рекомендовано использование приближенных методов теории турбулентных струй, такие как интегральные соотношения для концентрации С и скорости U потока:

                                в

UСdy = const

(1)

                               о

 

                                 в

 

  U²dy = const ,

(2)

                                о

 

После несложных преобразовании (1) и (2) определяем изменения максимальных значений скорости Um и концентрации Сm:

                                                     ½                 1

Uо /Um = (вI1/ А1),     I1 = ∫ f²(η)dη

(3)

                                                             о

 

                                                        ½                         1

 

Сm / Со = (А1 I1/ в)/ I2,      I2 = ∫ f(η) φ(η)dη  ,

(4)

                                                            о

 

где Uо, Со - значения скорости и концентрации в начальном сечении;  Um, Сm - максимальные значения скорости и концентрации по сечению; в - ширина струи; f(η), φ(η) - эмпирические зависимости профилей скорости и концентрации; А1 - ширина отверстия между камерами гашения и деаэрации.

Система уравнений (3-4) позволяет установить изменение скорости и концентрации в каждом сечении в зависимости от размеров узла сопряжения.

Безнапорный режим течения воды в отводящем туннеле достигается тем, что в пространство над свободной поверхностью потока через аэрационные шахты подается определенное количество воздуха. Расход зависит от распределения скорости по сечению и его площади.

Плоскопараллельное течение воздуха в туннеле над свободной поверхностью потока воды (рис. 1) можно описать уравнением движения  Навье-Стокса в следующем виде:

 

dU  

=

1 ∂Р

+ ν [

∂²U

+

∂²U

]   [

∂U´²

+

∂U´V´

]

(5)

dt

ρ ∂х

∂х²

∂у²

 ∂х

   ∂у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dV  

=

g   

1 ∂Р

+ ν [

∂²V

∂х²

+

∂²V

∂у²

]   [

∂U´V´

   ∂х

+

∂V´²

   ∂у

] ,

 

dt

ρ ∂у

 

где U, V - продольная и вертикальная составляющие компоненты скорости; U´, V´  - их пульсации; ρ - плотность; Р – давление; ν - кинематический коэффициент вязкости; g - ускорение свободного падения; х, у – продольная и поперечная координаты; t - время.

 

 

 

 


                                                                   h                           U   

 

 

 

 

                                                                                                       Qw

 

 

 

 

h - ширина воздушного потока над водой; U - распределение скорости воздушного потока; Qw - расход воды.

 

Рисунок 1 - Схема течения воздушного потока в отводящем туннеле.

 

Принимая стандартные упрощения, а константу интегрирования уравнения (5) определяем из условия: у = h,  U = Um и получаем аналитическое решение для распределения скорости  U:

 

 

U = U m   +  

 2_

(

ΔP

) ½ [ (у) ½ – (h) ½ ]  ,

(6)

 

θ

ρL

 

где Um - максимальная скорость по сечению; ΔP - перепад давления; L - длина туннеля; θ - постоянная Кармана; ρ - плотность воздуха; h - ширина воздушного потока; у - поперечная координата.

Расход воздуха Qа для вентиляции туннеля равен интегралу от распределения скорости воздушного потока по его живому сечению F:

 

                                                                                   0,5                                          0,5        F

(7)

Qа = (U m  - 2/θ(ΔPh/ρL )  )F  +  2/θ(ΔP/ρL )       у½ dF

                                                                                                                                               0

 

Рассмотренные выше задачи, связанные с течением потока воды в отдельных сегментах водосбросного тракта, описываются (К-Е) моделью турбулентности, в которую входят уравнения пограничного слоя, диффузии, кинетической энергии и скорости диссипации.

 

∂U

+  U

∂U

+ V

∂U

=     

1 ∂Р

+

∂_

 ( νт

∂U

 )

 

∂t

∂х

∂у

ρ ∂х

∂у

∂у

 

 

 

∂U

   +

∂U

=      0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂х

∂у

 

 

 

 

∂С

+  U

∂С

+ V

∂С

=     

 

 

∂_

 ( Dт

∂С

 )

 

 

∂t

∂х

∂у

 

∂у

∂у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8)

=

∂_

( νт/Gк

∂К

)   + νт(

 ∂U

)²+  βg

νт ∂С

– Е

 

 

 

 

dt

∂у

∂у

 ∂у

Gт ∂у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∂_

( νт/Gе

∂Е

) + С1Е/Кνт (

 ∂U

     С2

Е²

 

 

 

 

 

dt

∂у

∂у

 ∂у

К

 

 

 

где  U, V - продольная и вертикальная составляющие скорости; Р – давление, ρ - плотность; νт - турбулентная вязкость; С – концентрация; Dт - турбулентная диффузия; К – кинетическая энергия; Е – скорость диссипации кинетической энергии; С1,  С2,  Gк,  Gе, β - экспериментальные константы.

Для замыкания системы (8) использовалась формула Прандтля-Колмогорова. В качестве аппроксимационных уравнений использовалась абсолютно устойчивая неявная схема переменных направлений Писмена-Рэкворда.

Приведенное математическое обеспечение позволило принимать результаты этих расчетов как базовые для к экспериментальным работ. Программное обеспечение существенно упрощается при выделении метода прогонки в отдельную подпрограмму. Данная программа была использована при исследовании двухкамерного гасителя шахтного водосброса на Бестюбинском гидроузле.

 

3 Исследования и расчеты конструкции водосбросов, обеспечивающих безопасность их работы

В третьем разделе приводятся результаты исследований и новые конструкции водосбросов открытого и шахтного типов, а также гидротехнические сооружения для гашения избыточной энергии сбросного потока. Изучение параметров водосбросных сооружений проводилось на различных моделях, которые были установлены на площадках и стендах лаборатории ГТС электростанций КазНИИЭ (рисунок 2).

Основным гидравлическим параметром, влияющим на безопасность водосбросного сооружения, является его пропускная способность. Лабораторные опыты по изучению данного фактора проводились на моделях конструкции переливных плотин для определения зависимости расхода от напора на верхнем бьефе (рисунок 3).


 

Рисунок 2 – Гидротехнические стенды для изучения параметров водосбросных сооружений.

 

Результаты гидравлических исследований на трехмерной модели переливных плотин показали, что коэффициент расхода варьируется в пределах от 0,49 до 0,51.  Распределение давления на водосливе показали отсутствие зон разряжения и отрыва струи потока воды от поверхности откоса. Модельными исследованиями установлено, что изучаемые открытые водосбросы обладают высокой пропускной способностью, а предлагаемые усовершенствованные конструкции водосбросов отличаются высокой эффективностью гашения энергии.

Для определения профиля скорости в различных сечениях потока были произведены соответствующие измерения.

На рисунке 4 показаны безразмерные профили скорости в трех осевых сечениях гидравлического прыжка в области турбулентного смешения.

Как видно из этих рисунков, придонная область характеризуется наличием сил трения и обычно профиль скорости описывается законом «1/7», что подтверждается опытными данными. Эксперименты в области турбулентного перемешивания показали соответствие эпюр скорости универсальной зависимости Шлихтинга. Полученные результаты позволяют использовать вышеприведенный теоретический материал для расчета геометрических параметров конструкции водосбросов открытого типа.

 

 

 

 

 


3

 

1

 
                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Н – напор на гребне водослива; Q – расход воды; 1 – опытные данные на модели железобетонного лотка; 2 – опытные данные на модели плотины с водосливом из клиновидных плит; 3 – данные эксперимента на гидротехническом перепаде.

 

Рисунок 3    График  пропускной   способности   открытых   водосбросов.

 

Проведенные исследования на различных моделях водосбросов подтверждают, что зона вальца гидравлического прыжка, где присутствует двухфазный поток (вода-воздух), не оказывает серьезного влияния на распределение скоростей в транзитном потоке.

Эксперименты показали, что значения измеряемого параметра качественно совпадают с заданным распределением вероятностей. В то же время, из-за определенных ограничений измерительных приборов не всегда удавалось получить весь спектр вероятностного распределения. В этом случае экспериментальные точки были аппроксимированы функцией плотности нормальной случайной величины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                       а)  пограничный слой                                                б)   зона смешения

U  - относительная скорость; η    относительная   глубина   потока;   1   сечение  на  расстоянии  0,3L;  2 – сечение на расстоянии 0,5L; 3 – сечение на расстоянии 0,9L; L – длина вальца.

 

Рисунок 4 - Безразмерные профили скорости в зоне гидравлического прыжка.

 

При исследовании Бестюбинского гидроузла наиболее сложным вопросом стал расчет узла сопряжения шахтного водосброса (рисунок 5).

Для решения данной проблемы, на основании системы уравнений, описывающие движение турбулентного потока в камерах гашения и деаэрации, были составлены алгоритмы программ КАМЕРА 1 и КАМЕРА 2.

Алгоритм решения системы уравнений (8) конечно-разностным методом приводится в программе КАМЕРА, которая содержит в своем составе подпрограмму PROGON. Изменяя начальные и граничные условия исследуемой задачи, на выходе программа КАМЕРА позволяет определить распределение гидродинамических характеристик потока и геометрические размеры конструкции. Размеры двухкамерного гасителя рассчитываются из условия достижения максимальной скорости некоторого предела с заданной точностью. Сравнение полученных расчетных данных служит основой для оптимизации геометрических параметров конструкции. Согласно расчетным размерам, изготавливалась экспериментальная модель конструкции.

При проведении лабораторных опытов замеры параметров осуществлялись в контрольных сечениях для сравнения с расчетными показателями и результатами экспериментов на аналогичных конструкциях. Так как константы математической модели постоянно корректировались экспериментами, то расхождение расчетных и опытных параметров было минимальным. В то же время, вычислительный эксперимент позволил выявить наиболее устойчивые формы течения с точки зрения гашения избыточной кинетической энергии сбросного потока и создания безопасного режима в нижнем бьефе, степени деаэрации двухфазного потока и вентиляции отводящего туннеля.

 

1

 

2

 

 

1    камера гашения,  2 –  камера деаэрации.

 

Рисунок 5 – Модель узла сопряжения шахты водосброса с туннелем Бестюбинского   гидроузла.

 

На рисунке 6 приведены результаты вычислительного и модельного экспериментов по определению изменения максимальной скорости по живому сечению потока в камере гашения.

Опытные и расчетные графики свидетельствуют, что в камере гашения максимальная скорость потока уменьшается до двух раз, причем активное гашение избыточной кинетической скорости сбросного потока происходит в первой половине камеры гашения, где образуется циркулярный гидравлический прыжок.

 

 


                                             Um

                                              Uо

 

 

 

                                            0,5

 

                                                           - 2

                                            -3

                                                           - 4                                                              

                                                               

                                                                                                             S

                                                  0                         0,5                         1

 

Um – максимальное значение скорости; Uо – скорость в начальном сечении;   1 – результаты расчета; значения расхода:   2 – 10 л/с;   3 – 20 л/с;  4 –30 л/с;    S – относительная продольная координата.

 

Рисунок 6 - Изменение безразмерной максимальной скорости в камере гашения.

 

С помощью вычислительного эксперимента удалось выявить картину течения, в котором циркулярный гидравлический прыжок полностью размещается в камере гашения без образования вторичных течений. Так как расход потока согласно условиям задачи изменялся в некотором диапазоне (от 0 до 280 м3/с), то интерес представлял процесс образования гидравлического прыжка при расходах близких к расчетному значению.

Исследования показали, что при снижении расхода картина течения практически не изменяется, т.к. напор в камере гашения уменьшается, и двухфазный поток в ней имеет свободную поверхность. Если при расчетном расходе валец циркулярного гидравлического прыжка прижат транзитным потоком к потолочной части камеры, то при уменьшении расхода валец опускается вниз, исключая возможность образования застойных зон.

При исследовании параметров камеры деаэрации особое внимание уделялось расчету вальца – водоворотной зоны, благодаря которой происходит выделение воздуха из водовоздушной смеси и резкое уменьшение живого сечения потока. Поэтому вычислительный эксперимент строился из условия полного развития гидравлического прыжка в камере деаэрации при расчетном расходе сбросного потока. Полученные результаты показаны на рисунке 7.

При решении системы уравнений Навье-Стокса было принято предположение о постоянстве градиента давления по длине отводящего туннеля. Данное допущение принято из математических преобразований. Корректность принятого допущения проверялась на специальных опытах по измерению падения давления по длине туннеля. Для этого на модели были проведены эксперименты по измерению давления пьезометрами (рисунке 8).

 

                                                 С

                                             

 

 

 

                                              0,5

 

                                                                                      ∆ -2

                                                                                      ○ -3

                                                                                      □ -4

                                                                                      + -5

                                                                                                               η

                                                   0                          0,5                         1

 

С – концентрация воздуха в потоке; 1 – расчетные данные; опытные данные в сечениях при относительной координате длины: 2 – х=0; 3 – х=0,2; 4 – х=0,4; 5 – х=0,6; η – относительная вертикальная координата.

 

Рисунок 7 - Распределение концентрации воздуха в камере деаэрации.

 

 

Рисунок 8 – Модель шахтного водосброса с отводящим туннелем

 

На рисунке 9 показаны полученные экспериментальные точки по длине туннеля при различных расходах.

 

 

                                                           0                          0,5                        1  L

 

 

 

 

 

 


                                                      0.5

 

 

 

 

                                                      ΔP

                                                                                                                                                                                         

ΔP    перепад давления вдоль туннеля;   L  длина туннеля; при расходах Q: Δ 21 л/с; ο 30 л/с; 64 л/с.

 

Рисунок 9 – Безразмерный график изменение градиента давления по длине отводящего туннеля.

 

Эти исследования показали, что градиент давления вдоль туннеля – постоянная величина и падение давления имеет линейную зависимость от длины туннеля. Таким образом, математическое допущение - постоянство градиента давления по длине отводящего туннеля, является справедливым для задач плоскопараллельных течений, и, в частности, связанных с безнапорным движением потока в отводящем туннеле.

 

4 Усовершенствование конструкции водосбросов и обеспечение безопасного режима их работы

В четвертом разделе приведены результаты работ по усовершенствованию и обеспечению рационального режима водосбросов. Для усовершенствования грунтовых плотин открытого типа предложена конструкция водосброса, представляющий собой водосливной откос плотины, покрытый клиновидными плитами (рисунок 10).

Особенностью конструкции является наличие пазов с двух сторон клиновидных плит 3, что позволяет укладывать их в нахлест в двух направлениях. Как показали опыты, такое расположение плит устраняет перемещение вдоль и поперек откоса. При укладке утолщенная сторона плит направлена вниз и низовой откос плотины имеет ступенчатый профиль, способствующий гашению энергии сбросного потока. Посредством гибких связей плиты собраны в блоки, которые прикреплены к экрану 2 плотины 1 с помощью анкеров.

В ходе исследовании установлено, что с понижением глубины потока на водосливе давление потока на плиту уменьшается, а увеличение скоростного напора и его пульсации приводит к отрыву плиты от грунта и потери устойчивости покрытия откоса.

 

 

                                 А                                 1      2              А – А

                                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   

 

 

                                                                                                                                      В – В

 

 

    B         В                                                           В

 

 

 

 

 

                                 А

1 – тело плотины; 2 – экран; 3 – клиновидные плиты; 4 – каркас.

 

Рисунок 10 – Водосливная плотина с креплением низового откоса железобетонными   плитами   клиновидного   очертания   (Патент 2912 KZ).

 

Повышение надежности работы сооружения, устойчивости покрытия водосливного откоса можно достигнуть с использованием другого технического решения по предпатенту № 13045 KZ. Здесь в водосливную грунтовую плотину 1, включающую защитное крепление откосов, устанавливается железобетонный каркас 4, представляющий собой полую призму, ребра которой выполнены из железобетонных колонн.

Безопасность гидротехнического перепада повышаются при увеличении интенсивности гашения энергии водного потока, исключении застойных зон и износа поверхностей его ступеней (рисунок 11).

 

 

                                                      1                                       2

                                                                                                        3

 

                                                                                                              

 

 

 

 

1 – ступени перепада, 2 – сквозные отверстия на ступенях, 3 – водобойная стенка.

 

Рисунок 11 – Гидротехнический перепад (предпатент № 13051 KZ).

 

Для этого предложены на каждой ступени 1 перепада проделывать сквозные отверстия 2, соединяющие горизонтальную и вертикальную поверхности соседних ступеней. Длина перепада зависит от высоты водобойных стенок 3.

Предлагаемые конструкции водосливных оголовков изучались в сравнении с другими типами оголовков: спиральные камеры, водосливные оголовки других профилей. Новые конструкции оголовков показали не только более высокую пропускную способность, но и устойчивый и безнапорный режим течения на верхнем бьефе и в самом водосбросе.

Оказалось, что увеличение пропускной способности, повышение безопасности сооружения можно добиться с использованием устойчивой закрутки и безнапорного течения на месте сопряжения шахты с воронкой. Это достигается путем размещения водоводов в теле воронки тангенциально подведенных к шахте (предпатент № 13052 KZ).

В данной конструкции движение потока по водосливу и струи по водоводам равномерное, а тангенциальные водоводы обеспечивают устойчивую закрутку потока. Пропускная способность водосброса увеличивается на величину расхода воды, поступающего в шахту через водоводы.

Схема рассматриваемой конструкции представлена на рисунке 12. В данном случае воронка 1 размещена сверху шахты 3, а в теле воронки установлены водоводы 2, которые тангенциально сопрягаются с шахтой.

 

 

                                                      А – А

                   1                                                                              2

                                                                                                      

 

 

 

                                                                 

                                                                                           3

 

 

                                                                                          

                    1

 

 

        

             А                                                                                    А

 

 

                                                                                                          

                                                                                       2                                                                       

 

1 – воронка; 2 – водоводы; 3 – шахта.                                                     

 

Рисунок 12 – Водосливная воронка со сквозными водоводами (предпатент № 13052 KZ).

 

Принцип действия водосливной воронки заключается в следующем. Поток воды, двигаясь по винтообразной траектории, достигают верхней части шахты 3, где происходит их соединение и, следовательно, увеличение величины угловой скорости. Под действием центробежных сил поток прижимается к стенкам шахты, образуя воздушное ядро для вентиляции водосброса.

Преимущество данного технического решения по сравнению с вихревыми камерами заключается в увеличении пропускной способности и повышении безопасности работы сооружения за счет обеспечения устойчивой закрутки и безнапорного течения на месте сопряжения шахты с воронкой во всем диапазоне изменения расхода воды.

Для улучшения режима работы камеры гашения разработана новая конструкция шахтного водосброса (рисунок 13), в которой камера гашения  3 выполнена круглого сечения, и вертикальная шахта 2 соединена с ней тангенциально.

   

                                   1                                        1

 

                                   2                                      2

 

 

 

 


                                  3                                      

                                      4               5                            5

                                                               6

 

 

 

 

 


1 – верхний оголовок; 2 – шахта; 3 – камера гашения; 4 – камера деаэрации; 5 – воздухоотвод; 6 – отводящий туннель.

 

Рисунок 13 – Шахтный водосброс с новым узлом сопряжения шахты с туннелем (патент № 2513 KZ).

 

В этом случае стенки камеры гашения не испытывают нагрузок пульсационного характера, т.к. аэрированный поток по касательной входит в камеру гашения круглого сечения.

Результаты исследований показали устойчивую работу водосброса, пульсации гидростатического давления не наблюдались. Гашение избыточной энергии сбросного потока происходит в пределах водосброса, в отводящем туннеле 6 обеспечивается безнапорный режим течения со скоростями, не превышающими допустимые величины. Расчеты и опыты показывают, что для нормальной работы камеры гашения ее диаметр должен быть не менее (2-3)D - диаметра шахты, а длина – не менее (3-4)D.

Гашение энергии сбросного потока в водобойных колодцах не всегда экономически целесообразно из-за больших габаритов. Альтернативными вариантами конструкции гасителей являются узлы сопряжения, в которых используется эффект закрутки потока и его разворота в пределах от 0 до 360°. Разработанная конструкция гасителя для насыпных грунтовых низко- и средненапорных плотин состоит из быстротока, в конце которого находится клиновидный рассекатель и узел закрутки потока. Трубы соединяются с водобойным колодцем, внутри которого размещена водобойная стенка для подпора потока (рисунок 14).


Рисунок 14 - Рабочее состояние вихревого горизонтального гасителя при пропуске расхода 160 м³/с.

 

В зависимости от условий в нижнем бьефе трубы могут располагаться под некоторым углом друг к другу. Это позволяет резко расширить поток и увеличить степень гашения энергии потока. Поток, двигаясь по быстротоку, расщепляется на две части и тангенциально входит в горизонтально расположенные трубы. Тангенциальный вход струи обеспечивает закрутку потока в каждой трубе в разных направлениях. Закрутка потока позволяет погасить избыточную кинетическую энергию сбросного потока с уменьшением скорости до бытовых значений.

Несмотря на малые размеры гасителя, в целом конструкция не испытывает лобового удара и пульсационных нагрузок параметров потока. Достоинством данной схемы является тот факт, что конфигурация гасителя не влияет на пропускную способность водосброса и обеспечивается устойчивый режим при всем диапазоне изменения расхода.

 

5 Разработка современных конструкции независимых источников энергии и методики расчета инновационных решений

В пятом разделе рассмотрены конструкций независимых источников энергии, изложены методические указания по оценке эффективности приятых технических решений и рекомендации по повышению безопасности гидросооружений.

Одним из предлагаемых вариантов источников энергии является гидроагрегат, отличительной особенностью предлагаемой конструкции которой является турбина 3, выполненная из цилиндрической трубы, внутри которой расположены пластины 4 с возможностью плавного обтекания потоком (рисунок 15).

 

                                                                                      А

                              

                                           1     2      3                                4      2

                                                                                          

 

                                                            

                                                                                                            

 

                                       

                                                   5                                6          7

                                                                                               

                   А

                                                                                                                                                                                                            

                                                   А – А                                             

 

                                                           5                                       6

                                                        

 

 

 

 

                                                                                                                              

                                                                                                                       4

 

1 – подводящий водовод; 2 – подшипник; 3 – турбина в виде полой трубы; 4 – криволинейные пластины, описываемые логарифмической зависимостью; 5 – ротор генератора; 6 – статор генератора; 7 – отводящий водовод.

 

Рисунок 15 – Гидроагрегат (предпатент № 13064 KZ).

 

Пластины трубы-турбины обеспечивают плавный вход потока и позволяет регулировать скоростью вращения. За счет рационального режима работы устраняется вибрация агрегата.

Достигнутые результаты научной инновационной деятельности, получившие реализацию в виде новой и усовершенствованной продукции  (технических решений) требуют оценки на современном рыночном уровне, что связано с разработкой методики их расчета. При этом одним из важных моментов является определение стоимости интеллектуальной собственности с учетом размера вложенной суммы инвестиций и заемных средств.

Вариация описываемых критериев позволяет отобрать эффективные проекты для дальнейшего рассмотрения, проанализировать проектные альтернативы, оценить проект с точки зрения инвестора и т.д.

Оказалось, что применение существующих методов оценки интеллектуальной собственности при внедрении научных исследований, а также при внесении интеллектуальной собственности в уставные капиталы юридических лиц, не учитывает всех критериев оценки инновации. Поэтому они не находят широкого применения в реальном секторе экономики Казахстана.

Предлагаемая методика расчета стоимости интеллектуальной собственности была разработана на основе техники финансового анализа (Свидетельство о госрегистрации объекта интеллектуальной собственности № 317) и она включает следующие показатели:

1. Собственные затраты разработчика в усредненных условиях, соответствующих условиям разработки образца – аналога:

 

Ссоб ср= Тлс*Vс   ,                                                      (9)

 

где Тл    предельная продолжительность разработки, Чс необходимая среднегодовая численность основного производственного персонала, Vс среднегодовая выработка на одного работающего по аналогичным работам.

 

Vс= Сан соб  / Чан * Тан ,                                                (10)

где Сан соб  себестоимость собственных аналогичных  работ разработчика, Чан  – численность персонала, занятого выполнением аналогичных работ, Тан    продолжительность аналогичных работ.

2. Распределение собственных затрат разработчика в усредненных условиях по основным статьям калькуляции (материалы и покупные комплектующие изделия, заработная плата) по формуле:

 

Сi окр= g i /100 * Ссоб ср  ,                                                      (11)

 

где g i норматив затрат по i – ой статье калькуляции.

Учитывается изменение величины стоимости материалов покупных комплектующих изделий, а так же изменение объема заработной платы при разработке образца, отличного по элементной базе от аналога:

 

См= С бмм       и       Ст= С бтзп

 

где Им, Изп -  индексы изменения материальных и трудовых затрат, определяемые на основании статистических данных по структуре затрат на разработку образцов.

3. Дополнительные затраты, соответствующие предприятию – разработчику рассматриваемого промышленного образца, рассчитываются по формуле:

Сдопнакл + Сппр+ Спр   ,                                                     (12)

 

где Сдоп -  сумма дополнительных затрат, Снакл  накладные затраты, Сппр -  прочие производственные затраты, Спр -  прочие расходы.

4. Собственные затраты предприятия – разработчика рассчитываются по формуле:

 Ссоб = См + Ст+ Сдоп  ,

где См    материальные расходы, Ст    трудовые расходы, Сдоп    дополнительные расходы.

5. Контрагентские расходы предприятия Ска – разработчика определяются по формуле:

                                                 Скасоб* gка / gсоб  ,                                                                                           (13)

где Ссоб собственные затраты предприятия – разработчика, gка удельный вес контрагентских работ, gсоб  удельный вес собственных работ.

6. Стоимость замещения объекта интеллектуальной собственности  С рассчитывается по формуле:

                                        С = Ссоб + Ска  .                                                                 (14)

 

7. Размер денежной суммы через t лет при первоначальном вкладе P денежных единиц при r процентной ставке, определяется как:  

                                   

                                         F (t ) =  P · ( 1 + r )t  ,                                                                              (15)

 

где  F (t )  - будущая стоимость денег в период времени ; P  - текущая ценность денег; r - процентная ставка; t - продолжительность временного периода.

8. Для оценки приемлемости инвестиций предлагается использовать величину чистого дисконтированного дохода (ЧДД):

 

                                                                  Т

 

 

                                       ЧДД =  ∑ (Рi – Зi) · ( 1 + R )-i  ,

 

                                   (16)

                                                                i = 1

 

 

     

где   Рi результаты, достигаемые на i-м шаге; Зi затраты на i-м шаге; R коэффициент дисконтирования; Т срок жизни проекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

1. При чрезвычайных ситуациях одним из решающих моментов является заблаговременное проведение комплекса эффективных инженерно-технических, технологических и организационных мероприятий. Это связано с тем, что около 15% всех в мире гидротехнических сооружений вызывает сомнение в отношении их надежности, а мелкие и средние аварии происходят ежегодно почти на 5% существующих сооружениях.

2. Анализ показывает, что риск возникновения чрезвычайной ситуации на гидротехнических сооружениях связано с вероятностью превышения расчетных расходов и напора воды. Гидрологические риски играют существенную роль при определении результирующих обобщенных рисков возможных рисков и аварий.

3. Предложена методика моделирования процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф гидротехнических сооружений, которая отличается от существующих тем, что для обеспечения безопасности определяются критические, производственные параметры, такие как скорость, давление, зоны эрозии, концентрация воздуха, скорость диссипации энергии, которые влияют на возникновение чрезвычайной ситуации и позволяют определить наиболее опасные зоны;

4. Для повышения безопасности грунтовых плотин предложены  различные новые конструкции открытых водосбросов, в которых низовой откос плотины покрыт клиновидными плитами, укрепленными на жестком каркасе или выполнен в виде гидротехнического перепада, застойные зоны на ступенях которого устраняются струями воды из водоводов, соединяющие соседние ступени. Они отличаются высокой пропускной способностью и эффективным гашением избыточной энергии сбросного потока.

5. Устранение кавитационной опасности в шахте и узле сопряжения рекомендуется производить путем подачи воздуха в местах и количестве, определенном на основании расчета с использованием уравнений Навье-Стокса. Безнапорный режим в туннелях большой длины создается за счет установки в нем криволинейной пластины для сглаживания поверхностных волн на поверхности потока.

6. Разработана методика расчета узла сопряжения шахты водосброса с отводящим туннелем с применением теории турбулентных струй, которая позволяет производить оценку и анализ параметров течения на водосбросном тракте.

7. Предложен гаситель энергии водного потока, включающий концевую часть водовыпуска и камеру гашения, которая представляет собой два поперечных горизонтальных цилиндра с одним выходом. Автоматическое опорожнение гасителя позволяет использовать его в безнапорном режиме.

8. Установлено, что применение вихревого эффекта в гидроагрегате значительно упрощает его конструкцию и повышает надежность работы. Это достигается путем выполнения турбины из цилиндрической трубы, внутри которой расположены пластины с возможностью плавного обтекания потоком.

9. Использование различных параметров и критериев эффективности позволяет оценить стоимость основных затрат и общий доход от реализации инновационных продуктов в зависимости от времени и различных рисков, связанных с внедрением интеллектуальных разработок. На основании результатов внедрения предложена методика расчета стоимости интеллектуальной собственности на примере водосбросных сооружений.

Оценка полноты решения поставленных задач. В результате проведения теоретических и лабораторных исследований разработаны современные конструкции водосбросов с повышенной пропускной способностью, устойчивым креплением водослива, с вихревыми гасителями, обеспечивающие безопасность гидротехнических сооружений. Предложены математические модели гидродинамических процессов оптимального сброса воды в нижний бьеф гидросооружения и обеспечения кавитационной безопасности шахтных водосбросов. Разработаны и внедрены в практику деятельности предприятий комплексный подход к реализации интеллектуальной собственности на объектах, подпадающих под влияние чрезвычайных ситуации.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты рассчитаны для специалистов по проектированию и строительству гидротехнических сооружений.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Внедрение современных конструкции водосбросов открытого и шахтного типов и вихревых гасителей позволит уменьшить негативное воздействие потока воды на гидросооружение. Экономический эффект от результатов выполнения работ составляет более 40 млн. тенге.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Предлагаемая работа по научно-практической значимости вполне соответствует современному научно-техническому и технико-экономическому уровню.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Кошумбаев М.Б. Повышение безопасности гидротехнических сооружений за счет эффективности и надежности работы водосброса //Докл. НАН РК. – Алматы, 2006. – № 3. – С.33– 34.

2 Кошумбаев М.Б. Повышение надежности работы гидроэлектростанций //Докл. НАН РК. – Алматы, 2006. – № 5. – С.40 – 41.

3 Кошумбаев М.Б. Обеспечение принудительной вентиляции городской атмосферы //Докл. НАН РК. – Алматы, 2006. – № 4. – С.54 – 55.

4 Кошумбаев М.Б. Обеспечение стабильного режима ветроэлектростанций с закруткой потока //Вестник НАН РК. – Алматы, 2006. – № 4. – С. 63 – 65.

5 Кошумбаев М.Б. Гашение избыточной энергии потока на шахтных водосбросах //Вестник с.-х. науки Казахстана. – Алматы, 2006. – № 11. – С. 61 – 62.

6 Кошумбаев М.Б. Безопасность течения воды в отводящем туннеле //Вестник КазГАСА. – Алматы, 2006. – № 2 (20). – С. 123 – 131.

7 Кошумбаев М.Б. Математическое моделирование двухфазного потока в гидротехнических сооружениях //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2006. – № 6(56). – С.33 – 36.

8 Кошумбаев М.Б. Вихревой гаситель энергии с горизонтальной закруткой потока //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2006. – № 5(55). – С.87 – 90.

9 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасности сооружения путем улучшения работы гасителя //Поиск. Серия естественных и технических наук. – Алматы, 2006. – № 3. – С. 322 – 325.

10 Кошумбаев М.Б. Устранение наносов. //Вестник с.–х. науки Казахстана. – Алматы, 2006. – № 10. – С. 60 – 61.

11 Кошумбаев М.Б. Вентиляция воздушного бассейна г.Алматы с использованием вихревого эффекта //Труды международной конф. «Современные проблемы механики». Часть 1 «Механика жидкости и газа». – Алматы, 2001. – С. 153 – 154.

12 Кошумбаев М.Б. Турбулентный режим потока в водосбросах //Вестник КарГУ. – Караганда, 2000. – № 1(17). – С. 158 –161.

13 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безнапорного режима на верхнем оголовке шахтного водосброса //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2006. – № 5(55). – С.95 – 98.

14 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасности и надежности работы шахтного водосброса //Тезисы докл. 2-й международной научной конф. «Проблемы современной механики». – Алматы, 2006. – С.127 – 130.

15 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасного режима на верхнем бьефе шахтного водосброса //Поиск. Серия естественных и технических наук. – Алматы, 2006. – № 4. – С. 303 – 306.

16 Кошумбаев М.Б. Гашение энергии потока соударением струй в узле сопряжения шахты с отводящим туннелем //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2006. – № 6(56). – С.81 – 84.

17 Кошумбаев М.Б. Вихревые гасители энергии //Новости науки Казахстана. – Алматы, 2006. – № 4(91). – С.155 – 158.

18 Кошумбаев М.Б. Инновационные решения в гидротехническом строительстве //Материалы  международного симпозиума «Проблемы высшей школы – сквозь призму новых идей». – Кокшетау, 2006. – С. 59 – 61.

19 Кошумбаев М.Б. Парный вихревой гаситель энергии с горизонтальной закруткой потока //Новости науки Казахстана. – Алматы, 2007. – № 1(92). – С.137 – 139.

20 Кошумбаев М.Б. Расчет безопасного режима потока в отводящем туннеле //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2007. – № 2(59). – С.57 – 60.

21 Кошумбаев М.Б. Устранение кавитационной опасности в шахтном водосбросе //Вестник КазГАСА. – Алматы, 2006. – № 4 (22), – С. 125 – 130.

22 Кошумбаев М.Б. Проблема экологии при возведении и эксплуатации гидротехнических сооружений //Гидрометеорология и экология. – Алматы, 2006. – № 4 (43), – С. 118 – 127.

23 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасного режима на верхнем оголовке шахтного водосброса //Сб. тезисов докл.  международного семинара «Сели и наводнения: Стратегия безопасного строительства и сокращения риска стихийных бедствий» в рамках проекта UN/ISDR «Продвижение Стратегии Безопасного Строительства». – Алматы, 2006. – С. 14.

24 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасности гидросооружения и защитные меры от наносов //Сборник тезисов докладов научной конференции «Экология». – Алматы, 2006. – С. 112 – 115.

25 Кошумбаев М.Б. Расчет стоимости объектов интеллектуальной собственности и изобретений //Уральский научный вестник. –  Уральск, 2007. – № 5 (6), – С. 4 – 8.

26 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Использование вихревого эффекта водных и воздушных сред в энергетике //Материалы  международной научно-практической конф. «Перспективы развития сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения в Республике Казахстан». – Алматы, 2006. – С. 347 – 350.

27 Кошумбаев М.Б., Ахмедов Т.Х., Туебаев С.К. Регулирование режима течения потока на входе в шахтный водосброс //Вестник КарГУ. – Караганда, 2000. – № 1(17). – С. 102 – 104.

28 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Обеспечение кавитационной безопасности в шахте водосброса //Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. – 2007. – № 1(23). – С.79 – 81.

29 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Применение вихревых течений в камере гашения водосброса //Новости науки Казахстана. – Алматы, 2007. – № 1(92). – С.134 – 136.

30 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Улучшение защиты сооружения от наносов //Исследования, результаты. – Алматы, 2006. – №3.  – С. 212 – 213.

31 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Новые конструкции электростанций //Материалы  международного симпозиума «Проблемы высшей школы – сквозь призму новых идей». – Кокшетау, 2006. – С. 38 – 41.

32 Кошумбаев М.Б., Квасов А.И. Безопасность гидротехнических сооружений //Сборник научных трудов международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке». – Зыряновск, 2006. – С. 155–158.

33 Кошумбаев М.Б., Квасов А.И. Оценка безопасности водопропускных сооружений гидроузлов //Сб. науч. тр. международной научно-методической конф. «Инновационные технологии в образовании и науке». – Зыряновск, 2006. – С. 158 – 162.

34 А.С. 1761859 СССР. Шахтный водосброс /М.Б. Кошумбаев, Т.Х. Ахмедов, С.К. Туебаев.; опубл. 15.09.92, Бюл. № 34. – 2 с: ил.

35 А.С. 1817799 СССР. Вихревой водосброс /М.Б. Кошумбаев, Т.Х. Ахмедов, С.К. Туебаев, И.П. Шаг; опубл. 23.05.93, Бюл. № 19. – 3 с: ил.

36 Патент 585 KZ. Туннельный водосброс /Кошумбаев М.Б., Ким Ю.П., Квасов А.И.; опубл. 25.10.94, Бюл. № 4. – 2 с: ил.

37 Патент 2514 KZ. Гаситель энергии водного потока /Кошумбаев М.Б., Ким Ю.П., Квасов А.И.; опубл. 13.02.95, Бюл. № 3. – 3 с: ил.

38 Патент 2513 KZ. Шахтный гидротехнический водосброс /Кошумбаев М.Б., Квасов А.И.; опубл. 19.08.95. Бюл. № 3. – 4 с: ил.

39 Патент 2912 KZ. Водосливная грунтовая плотина /Кошумбаев М.Б., Ким Ю.П., Квасов А.И.; опубл. 29.11.95. Бюл. № 4. – 5 с: ил.

40 Пред.патент 13045 KZ. Водосливная грунтовая плотина /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.03, Бюл. № 5. – 3с: ил.

41 Пред.патент 13051 KZ. Гидротехнический перепад /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.03, Бюл. № 5. – 3с: ил.

42 Пред.патент 12861 KZ. Наносоуловитель /Кошумбаев М.Б.; опубл. 17.03.03, Бюл. № 3. – 3с: ил.

43 Пред.патент 13052 KZ. Шахтный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.03, Бюл. № 5. – 3с: ил.

44 Пред.патент 13056 KZ. Шахтный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

45 Пред.патент 13441 KZ. Шахтный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.09.2003, Бюл. № 9. – 3с: ил.

46 Пред.патент 13050 KZ. Водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

47 Пред.патент 13047 KZ. Шахтный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

48 Пред.патент 13053 KZ. Шахтный гидротехнический водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

49 Пред.патент 13054 KZ. Туннельный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 4с: ил.

50 Пред.патент 13049 KZ. Водосбросное сооружение /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

51 Пред.патент 13048 KZ. Гаситель энергии водного потока /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

52 Пред.патент 13055 KZ. Гаситель энергии водного потока /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 3с: ил.

53 Пред.патент 13064 KZ. Гидроагрегат /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.2003, Бюл. № 5. – 4с: ил.

54 Пред.патент 18089 KZ. Вихреагрегат /Кошумбаев М.Б., Кошумбаев А.М.; опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10. – 3с: ил.

55 Положительное решение № 12-2/3039 о выдаче предварительного патента от 05.07.2007 по заявке на изобретение № 2006/1185.1. Ветроагрегат /Кошумбаев М.Б. Заявлено 30.10.2006.

56 Свидетельство о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности № 317. Расчет объектов интеллектуальной собственности и изобретений. /Кошумбаев М.Б. Выдано 04.09.2006 Комитетом по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан.

57 Пред.патент 13046 KZ. Шахтный водосброс /Кошумбаев М.Б.; опубл. 15.05.03, Бюл. № 5. – 3с: ил.

58 Евразийский патент 007439. Вихреагрегат /Кошумбаев М.Б., Кошумбаев А.М.; опубл. 27.10.2006, Бюл. № 5. – 3с: ил.

59 Кошумбаев М.Б. Применение вихревого эффекта в ветроагрегате //Современный научный вестник. – Белгород: Руснаучкнига, 2007. – № 4 (12), – С. 27 – 31.

60 Koshumbayev M. The vertical unit //Nauka I stadia. – Przemysl, Poland, 2007. – TYM 1, № 1 (1).  Р. 45 – 51.

61 Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К. Повышение безопасности грунтовых плотин //Материалы III международной научно-практической конф. «Научный потенциал мира – 2006». – Днепропетровск, 2006. – Т. 8.  – С. 22 – 24.

62 Кошумбаев М.Б. Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений //Вестник Киргизского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры. – Бишкек,  2008. – № 1 (19). – С. 202 – 204.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тұжырым

 

Қошымбаев Марат Болатұлы

 

Төтенше жағдайлар кезінде гидротехникалық ғимараттардың

қауіпсіздігін су қашыртқылар құрылымын жетілдіру арқылы арттыру

 

05.26.02 – Төтенше жағдайлардағы қауіпсіздік

 

 

Диссертациялық жұмыс гидротехникалық ғимараттарда төтенше жағдайлардың болу мүмкіндігін су қашыртқыларды жетілдіру арқылы төмендетуге арналған.

Жұмыстың мақсаты – теориялық және сынақтық  зерттеулер, ашық және шахталы түрдегі су қашыртқылар құрылымы мен ағын су айналымын бәсеңдететін құралды жетілдіру арқылы гидротехникалық ғимараттардың қауіпсіздігін арттыру, төтенше жағдайлардың болу себептерін жою.

Практикада кездесетін проблемаларды шешу мақсатында үшкірленген және шахталы су қашыртқыларын, гидротехникалық тік құламалар және гидрообъектілердің төменгі бъефтерінің шайылуын тоқтататын сұлбалар жасалынды, олардың басым көпшілігі қолданыс тапты. Осылардың негізінде қауіпті зоналардағы төменгі бьефке су тастаудың тиімді процесстерінің теориялық мәселелері зерттелді.

Зерттеу барысында әртүрлі параметрлердің су қашыртқы мүмкіндігіне әсері, кинетикалық энергияны бәсеңдету деңгейі, кавитациялық қауіпсіздік пен су алып кету туннелінде кездесетін тегеурінсіз режим қаралды.

Гидротехникалық ғимараттарды апаттан сақтау, су қашыртқыларының жаңа құрылымдары, су ағынын бәсеңдеткіштер мен қалыптаспаған энергия көздері бойынша нақты ұсыныстар жасалынды.

Жұмыста жаңа инвестициялық ұсыныстардың төтенше жағдайларға байланысты жобаларды орындау  әдістемеліктері келтірілген.

Алғашқы рет ұсынылып отырған энергия бәсеңдеткіш әдісінің, бұрынғы қолданып жүргендерден айырмашылығы – оның су құбырында үшкір типті су айырғыш пен ағынды құйындатқыш орналастырылған.  Мұндай жаңалық төменгі бьефтегі су өтімінің келтірілген мөлшерін 15-20  есеге азайтады және ең жоғарғы су жылдамдығын қажетті белгі деңгейінде (2,0-7,0 м/с) қалыптастырады. Осының арқасында өзен арасында жердің бұзылуы орын алмайды және ғимарат қауіпсіздігі артады.

Ұсынылып отырған гидравликалық есептеулер әдістемелігі кавитациясыз режимді анықтауға, жоғарғы бьефтегі су ағыны режимін орнықтыруға және төменгі бьефтегі кинетикалық энергияны бәсеңдету кезінде ауыртпалықтың бірқалыпсыздығын жояды.

Келтірілген математикалық талдаулар нәтижесі ізденіс жұмыстарының негізі болып қаланған. Диссертацияда интеграциондық әдістерді бөлек есептеу жоспарына енгізгенде, программалық қамтамасыз ету анағұрлым оңайланатыны көрсетілген. Математикалық моделдеу негізінде есептеу эксперименті атқарылған және соның арқасында су қашыртқылардың кинематикалық, геометриялық параметрлері анықталған, құйындату әсері арқылы жүргізілетін энергия бәсеңдеткіш көрсеткіштері белгіленген.

Математикалық моделдеу сипаттамаларын нақтылау мақсатында арнайы лабораториялық жаңадан жасалған су қашыртқыштар мен бәсеңдеткіштер параметрлері сарапталған. Су қашыртқы параметрлерін экспериментті нақтылау жұмыстары. Қазақ энергетика ғылыми-зерттеу институтының электростанцияның гидротехникалық ғимараттары лабораториясының сынақ алаңдарында, әртүрлі моделде орындалған.

Су ағызатын бөгеттің үш өлшемді моделінде жүргізілген гидравликалық тәжірибелердің нәтижесінде, су өтімінің коэффициенті 0,49-0,51 аралығында болатыны көрсетілген. Суағардағы қысымның таралу жағдайына байланысты, су ағу кезінде, оның жер бетінен ажырамайтыны және вакуумды зонаның болмайтыны белгіленген.

Зерттеулер нәтижесінде ашық түрдегі су қашыртқылардың су өткізу мүмкіндігінің жоғары екендігі, ұсынылып отырған су қашыртқылар конструкциясының энергия күшін бәсеңдетуге аса тиімді екені анықталған.

Шахталы су қашыртқылардың жаңа конструкциясы Алматы облысының Бестөбе су торабында 1987 жылы, құйындатып бәсеңдеткіштің жетілдірілген конструкциясы Алматы облысының Қарабиен өзеніндегі бөгеттің төменгі бьефінде 2004 жылы,  тасынды суды  ұстау конструкциясы Ақмола облысының су қоймаларында 2005 жылы, зерттеу нәтижелері (су тасқынының бөгеті, гидротехникалық құлама) Көкшетау қаласында 2006 жылы, Қарамеңді өзенінде 2004 жылы, Қамысақты өзенінде 2005 жылы өндіріске енгізілген.

Зерттеу нәтижелері Қазақстандағы әртүрлі компаниялардың жарғылық капиталдарына интеллектуалды меншік ретінде қарастырылған.

Жаңадан жасалған құрылымдарды республика көлемінде өндіріске ендіруден түскен экономикалық тиімділіктің жалпы көлемі 40 млн. теңгені құрайды. 

 

 

 

 

 

 

 

 

SUMMARY

 

Koshumbayev Marat Bulatovich

 

INCREASE OF SAFETY OF HYDRAULIC ENGINEERING CONSTRUCTIONS AT EXTREME SITUATIONS BY IMPROVEMENT OF THE DESIGN OF SPILLWAYS

 

05.26.02 Safety in extreme situations

 

 

 

Dissertational work is devoted to decrease in probability of occurrence of extreme situations on hydraulic engineering constructions by means of increase of throughput of spillways and efficiency of clearing of energy of a waste stream.

The purpose of work is increase of safety of hydroconstructions and elimination of probability of occurrence of the reasons causing extreme situations, by theoretical both experimental research and improvements of a design of spillways of the open and mine types, units of clearing of energy with devices for a turbulence of a stream.

For the decision of the given problem spillways with wedge coverings of a spillway, hydraulic engineering difference, mine spillways and schemes of protection of hydroobject from washout bottom level have been developed and used. Within the limits of object of research theoretical questions of process of optimum dump of water in bottom level on the basis of definition of critical parameters and dangerous zones are studied. Influences of various parameters on throughput of spillways, a degree of efficiency of clearing of kinetic energy of water, cavitations safety of a mine spillway and without pressure head mode in the allocating tunnel are investigated. On accident precaution on hydraulic engineering constructions, on modern designs of spillways, units of clearing of energy and independent energy sources, and also an innovative design procedure of the investment recommendations are developed for their introduction in the projects subject to influence of extreme situations.

Extreme situations on hydraulic engineering constructions are connected mainly with low throughput of spillways and washout of a ground bottom level, caused by inefficient clearing of energy of a waste stream. Dissertational work is devoted to decrease in probability of occurrence of extreme situations on hydraulic engineering constructions by means of increase of throughput of spillways and efficiency of clearing of energy of a waste stream. For achievement of the specified purpose spillways with wedge coverings of a spillway, hydraulic engineering difference, mine spillways and schemes of protection of a hydroconstruction from washout bottom level have been developed and used.

Theoretical questions of process of optimum dump of water in bottom level on the basis of definition of critical parameters and dangerous zones are studied. Influences of various parameters on throughput of spillways, a degree of efficiency of clearing of kinetic energy of water, cavitations safety of a mine spillway and without pressure head mode in the allocating tunnel are investigated. On accident precaution on hydraulic engineering constructions, on modern designs of spillways, units of clearing of energy and independent energy sources, and also an innovative design procedure of the investment recommendations are developed for their introduction in the projects subject to influence of extreme situations.

For the first time the way of clearing of the energy, differing from traditional themes is offered, that in bringing to water-water are established wedge divider and the twisting unit of stream that time and size of the maximal speed up to demanded values (2,07,0 m/s) leads to decrease in bottom level the specific charge of water at 1520, excluding erosion of a ground of a channel of the river and raising safety of a construction as a whole.

The new design of a mine spillway is introduced in Bestubinsky hydrounit in 1987, the advanced design vortical units of clearing of energy is used on bottom level dams on Kara-Bien river of Almaty area in 2004, a design the cleaner of deposits is introduced on reservoirs Akmolinsk area in 2005, results of researches in the form of the pour dams and hydraulic engineering difference are established in system of water supply Kokshetau-city in 2006, and also in hydrounits Akmolinsk area on Karamendy river (a dam from local materials) in 2004 and on Kamysakty river (hydraulic engineering difference) in 2005. Results of researches are brought in the own capital of the Kazakhstan companies in the form of objects of intellectual property (ВИТЭКС2002 ltd).

New designs of spillways raise reliability of work of constructions and expand area of their application. The offered methods of hydraulic calculation promote definition anticavitations mode, to maintenance of a stable mode of a stream on top level and to elimination fluctuations loadings at clearing kinetic energy of a stream in bottom level.

Total economic benefit of introduction of development on hydrounits of the above-stated enterprises has made more than 40 million tenge.