Дослідження спряження б'єфів дорожніх водопропускальних споруд з металевих гофрованих конструкцій

Вступ. Дорожні водопропускальні споруди з металевих гофрованих конструкцій (далі — МГК) незважаючи на понад сторічну історію застосування, в Україні є досить новим видом споруд та набувають широкого застосування в транспортному будівництві як альтернатива традиційним сталевим або бетонним мостовим конструкціям. Загальновідомими перевагами, які виправдовують вибір такого рішення, є в основному короткий строк і відносно низька вартість будівництва, будівництво за умови дотримання відповідного технологічного режиму не викликає особливих проблем. Однак сучасний процес проєктування та будівництва дорожніх водопропускальних споруд з МГК є недосконалим та постійно поліпшується. Деякі особливості місцевості вимагають будівництво дорожньої водопропускальної труби з крутим ухилом, що збільшує швидкість води та створює потік високої енергії на виході дорожньої водопропускальної труби. Ця високоенергетична вода може розмивати природне русло. Найбільш ефективним способом гасіння надмірної кінетичної енергії водного потоку є гасіння за допомогою гідравлічного стрибка. Проведено аналіз особливості спряження б'єфів для дорожніх водопропускальних труб в умовах плоскої задачі, визначено вплив ряду факторів на довжину гідравлічного стрибка та наведено методологічний підхід до вирішення завдань спряження б'єфів.

Проблематика. Встановлено, що існує необхідність в уточненні існуючих підходів спряження б'єфів дорожніх водопропускальних споруд з металевих гофрованих конструкцій з урахуванням світових підходів.

Мета. Мета наукової роботи полягає у досліджені спряження б'єфів дорожніх водопропускальних труб в умовах плоскої задачі, визначено вплив ряду чинників на довжину гідравлічного стрибка та наведено методологічний підхід до вирішення завдань спряження б'єфів.

Результати. Проведено аналіз досвіду експлуатації та особливостей роботи водопропускальних споруд із металевих гофрованих конструкцій на автомобільних дорогах. Досліджено особливості спряження б'єфів для дорожніх водопропускальних труб в умовах плоскої задачі. Встановлено методологічний підхід до вирішення завдань спряження б'єфів.

Висновки. Найбільш ефективним способом гасіння надмірної кінетичної енергії водного потоку є гасіння за допомогою гідравлічного стрибка.

Однак, попри наявні дослідження з кінематики потоку в зоні формування гідравлічного стрибка та його стійкості, питання впливу конструктивних елементів гасників активного типу на керування потоком у зоні розтікання, особливо в умовах відносно широких і вузьких русел, залишаються недостатньо вивченими.

У зв'язку з тим, що на ділянці двомірний у плані бурхливий потік трансформується в тривимірний з високим рівнем анізотропної турбулентності для дослідження такого типу завдань, на сучасному етапі, можливий лише статистичний підхід із застосуванням методів теорії математичного планування експерименту.

Під час формування потоку із заданими гідравлічними характеристиками доцільно використовувати принцип управління — цілеспрямований вплив на потік конструктивними елементами нижнього б'єфу.

Використання рівняння руху рідини в диференціальній формі дозволяє отримати рівняння досконалого гідравлічного стрибка у вигляді, явного відносно шуканої другої сполученої глибини в разі шорстких водоводів з похилим дном.

Аналіз рівняння загального розв’язку гідравлічного стрибка показав, що вплив сил зовнішнього тертя і похилу дна на висотні розміри гідравлічного стрибка можна враховувати окремо, незалежно один від одного.

Виконаний аналіз сучасного стану проблеми дозволяє зробити висновок про недосконалість існуючих методик розрахунку спряження б'єфів та необхідність удосконалення існуючих підходів розрахунку.

1. Коваль П. М., Фаль А. Є., Бабяк І. П., Сітдикова Т. М. Нормативне забезпечення проектування і будівництва споруд з металевих гофрованих конструкцій. Дороги і мости. Київ, 2008. Вип. 8. С. 154–158. URL: http://dorogimosti.org.ua/f iles/upload/Uz_21.pdf.
2. Damian Beben. Soil-Steel Bridges. Geotechnical, Geological and Earthquake Engineering. Springer Nature Switzerland AG 2020., 2020. Р. 214. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-34788-8.
3. Онищенко А. М., Гаркуша М. В., Клименко М. І. Аналіз проєктування та будівництва гідротехнічних споруд транспортного будівництва у вигляді водопропускних труб з полімерних матеріалів на автомобільних дорогах. Дороги і мости. 2021. Вип. 24. C. 112–133. DOI: https://doi.org/10.36100/ dorogimosti2021.24.112.
4. Лучко Й. Й., Ковальчук В. В. Технічний стан транспортних споруді з металевих гофрованих конструкцій. Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика. 2021. Вип. 19. С. 38–50. DOI: https://doi.org/10.15802/bttrp2021/233873.
5. Гаркуша М. В. Вплив пошкоджених гідротехнічних споруд транспортного будівництва з дорожніх водопропускних труб на навколишнє середовище. Водопостачання і водовідведення: проектування, будівництво, експлуатація, моніторинг. V міжнародна наукова-технічна конференція, 11-13 жовтня 2023, Україна, Львів : зб. матер. Електрон. дан. Київ : Яроче́нко Я. В., 2023. С. 82–83. DOI: https://doi.org/10.51500/7826-33-9.
6. Цинка А. О., Боднар Л. П. Дослідження стану мостових переходів на основі аналітичної експертної системи управління мостами. Дороги і мости. Київ, 2020. Вип. 21. С. 270–281. DOI: https://doi.org/10.36100/ dorogimosti2020.21.270.
7. А. М. Онищенко, І. В. Башкевич, М. В. Гаркуша, М. Н. Цивін, С. В. Кожарін. Гідравліка: практичний курс із застосуванням Mathcad: підручник. Київ: «Видавництво Людмила», 2022. 264 с.
8. Ліпіцький Г. О. Застосування гасника енергії при раптовому розширенні русла в нижньому б’єфі малої штучної споруди. Гідравліка: Міжвідомчий республіканський науково-технічний збірник.  К.: Техніка, 1965. Вип. 1. С. 194–201.
9. Цивін М. Н. Новий підхід до проблеми гасіння надмірної кінетичної енергії за трубчастими водоскидами. Гідравліка та гідротехніка: Міжвідомчий республіканський науково-технічний збірник. 1998. Вип. 59. С. 85–89.
10. Цивін М. Н. Дослідження експлуатаційних характеристик погашувача енергії активного типу. Автомобільні дороги і дорожнє будівництво: Міжвід. наук.-техн. зб. 1999. Вип. 57. С. 209–213.
11. Цивін М. Н., Ткаченко Н. І. Оптимальна конструкція кріплення нижнього б’єфу водопропускних споруд систем лиманного зрошення. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Львів, 1988. Вип. 16. С. 38–43.
12. Онищенко А. М., Гаркуша М. В., Клименко М. І. Аналіз спряження б'єфів гідротехнічних споруд транспортного будівництва з дорожніх водопропускних труб в умовах плоскої завдачі. Дороги і мости. Київ, 2023. Вип. 27. С. 228–244. DOI: https://doi.org/10.36100/dorogimosti2023.27.228.
13. Wang C, Li SS. Hydraulic Jump and Resultant Flow Choking in a Circular Sewer Pipe of Steep Slope. Water. 2018; 10(11):1674. DOI: https://doi.org/10.3390/ w10111674.
14. Chanson, H.; Montes, J.S. Characteristics of undular hydraulic jumps: Experimental apparatus and flow patterns. J. Hydraul. Eng. 1995, 121, 129–144.
15. Montes, J.; Chanson, H. Characteristics of undular hydraulic jumps: Experiments and analysis. J. Hydraul. Eng. 1998, 124, 192–205.
16. Ohtsu, I.; Yasuda, Y.; Gotoh, H. Flow conditions of undular hydraulic jumps in horizontal rectangular channels. J. Hydraul. Eng. 2003, 129, 948–955.
17. Chanson, H. Current knowledge in hydraulic jumps and related phenomena. A survey of experimental results. Eur. J. Mech. B/Fluids 2009, 28, 191–210. 
18. Chanson, H.; Brattberg, T. Experimental study of the air–water shear flow in a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 2000, 26, 583–607. 
19. Valiani, A. Linear and angular momentum conservation in hydraulic jump. J. Hydraul. Res. 1997, 35, 323–354.
20. Gharangik, A.M.; Chaudhry, M.H. Numerical simulation of hydraulic jump. J. Hydraul. Eng. 1991, 117, 1195–1211.
21. Molls, T.; Molls, F. Space-time conservation method applied to Saint Venant equations. J. Hydraul. Eng. 1998, 124, 501–508.
22. Ellms, R. Hydraulic jump in sloping and horizontal flumes. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 1932, 54, 113–121.
23. Bakhmeteff, B.; Matzke, A. The hydraulic jump in sloped channels. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. 1938, 60, 111–118.
24. Kindsvater, C.E. The hydraulic jump in sloping channels. Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 1944, 109, 1107–1154.
25. Rajaratnam, N. The hydraulic jump in sloping channels. Water Energy Int. 1966, 23, 137–149.
26. Ohtsu, I.; Yasuda, Y. Hydraulic jump in sloping channels. J. Hydraul. Eng. 1991, 117, 905–921.
27. Gunal, M.; Narayanan, R. Hydraulic jump in sloping channels. J. Hydraul. Eng. 1996, 122, 436–442.
28. Gotoh, H.; Yasuda, Y.; Ohtsu, I. Effect of channel slope on flow characteristics of undular hydraulic jumps. J. Appl. Mech. 2004, 7, 953–960.
29. Beirami, M.; Chamani, M.R. Hydraulic jumps in sloping channels: sequent depth ratio. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 1061–1068.
30. Kim, D. G. Numerical analysis of free flow past a sluice gate. KSCE J. Civ. Eng. 2007. 11 (2): 127–132. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02823856 .
31. Kim, S., K. Yu, B. Yoon, and Y. Lim. A numerical study on hydraulic characteristics in the ice harbor-type fishway. KSCE J. Civ. Eng. 2012. 16 (2): 265–272. DOI: https://doi.org/ 10.1007/s12205-012-0010-5.
32. Mohammed, S. R., B. K. Nile, andW. H. Hassan. Modelling stilling basins for sewage networks. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. 671 (1): 012111. https://doi.org/ 10.1088/1757-899X/671/1/012111.
33. Olsen, N. R. B., and G. Hillebrand. Long-time 3D CFD modeling of sedimentation with dredging in a hydropower reservoir. J. Soils Sediments. 2018. 18 (9): 3031–3040. DOI: https://doi.org/ 10.1007/s11368-018-1989-0.
34. Karimpour, S., S. Gohari, and M. Yasi. Experimental and numerical investigation of blockage effects on flows in a culvert. J. Hydraul. 2020. 15 (2): 1–14. DOI: https://doi.org/10.30482/ jhyd.2020.211670.1425.
35. Taha, N., M. M. El-Feky, A. A. El-Saiad, and I. Fathy. Numerical investigation of scour characteristics downstream of blocked culverts. Alexandria Eng. J. 2020. 59 (5): 3503–3513. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aej.2020.05.032.
36. Othman Ahmed, K., A. Amini, J. Bahrami, M. R. Kavianpour, and D. M. Hawez. Numerical modeling of depth and location of scour at culvert outlets under unsteady flow conditions. J. Pipeline Syst. Eng. Pract. 2021. 12 (4): 04021040. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000578.
37. Mostafazadeh-Fard, Saman, Samani, Zohrab. Dissipating Culvert End Design for Erosion Control Using CFD Platform FLOW-3D Numerical Simulation Modeling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. 2023. 14. DOI: https://doi.org/10.1061/JPSEA2.PSENG-1373.
38. Wei, G., J. Brethour, M. Grünzner, and J. Burnham. The sedimentation scour model in FLOW-3D. Flow Science Rep. 2014. No. 03-14. Santa Fe, NM: Flow Science Inc.
39. Hirt, C. W., and B. D. Nichols. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries J. Comput. Phys. 1981. 39 (1): 201–225. DOI: https://doi.org/ 10.1016/0021-9991(81)90145-5.
40. Flow Science, FLOW-3D version 11.2 user manual. Los Alamos, NM: Flow Science. 2016
41. Christopher J. G. OpenFOAM User Guide version 5.0. OpenFOAM Foundation Ltd, Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License. 2017.
42. Rajaratnam, N. Hydraulic jumps in advances in hydroscience, V. T. Chow, ed., Academic Press, New York, N.Y., 1967. 197–280. DOI: https://doi.org/ 10.1016/B978-1-4831-9935-1.50011-2.
43. Mosselman E. Basic equations for sediment transport in CFD for fluvial morphodynamics. In Bates PD, Lane SN, Ferguson RI, editors, Computational fluid dynamics; applications in environmental hydraulics. Chichester: Wiley. 2005. Р. 71–89.