Алматы 2017 январь

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

91 

 

УДК 519.67 

 

А.Т. Кalbayeva, А.D. Kurakbayev, А.М. Brener, A.Zh. Usenova,  S.D. Kurakbayeva 

(M. Auezov South Kazakhstan State University, Shymkent, Kazakhstan 

sevam@mail.ru, kalbaeva@mail.ru) 

   

METHODS FOR CALCULATING THE WATER FILTRATION THROUGH THE DAM WITH 

THE DAMAGED UPPER AND LOWER POOLS 

 

Annotation. The technique of the  boundary element method is used for the numerical solution of fluid-filtering 

problem  from open water through the dam with damaged head and tail ponds of the dam. water.  The corresponding 

software in the environment of visual programming Delphi 7 has been worked out. A comparison between the results of 

calculations of  for the potential during the flow with free surface through the dam with only head water damaged to the 

upstream, that has done previously and  the damaged upper and lower pools has been carried out.  The results of model-

ing and computer simulation show the possibility of a significant impact of the areas of erosion of the dam  on the wet-

ted volume of the dam and, accordingly, to the filtrate flow rate even in the case of  relatively small amounts of damage. 

Key words: water filtration, dam, earth block, boundary element method, free surface  

 

Introduction  

The water filtration through earth dams plays very important role in the National economy. The statis-

tics shows that more than  half of all accidents  of  earth dams  occur owing to the  water filtration. Therefore, 

when designing and engineering the earth dams it is necessary to carry out filtration calculation, in the course 

of  which  the  depression  curve  position  in  the  dam  body  should  be  established;  to  determine  filtration  flow 

gradients and rate of filtration speeds; to determine the filtration consumption through the dam body and its 

base. Currently there are many offers for the filtration calculation methods through the earth dams [1-3].  

However, analysis of situation, when the dam consistency damages are possible, is of great importance 

[4,5]. More often, the most wash upper and lower dam pools are damaged like that.  

This  paper  adduces  computational  solution  of  the  problem  of  liquid  filtration  from  surface  water 

through the dam, taking into account the damaged upper and lower dam pools.  

 

1. Methods and results of the calculation 

 The boundary element method scheme, which demonstrated great possibilities when solving problems 

with free surfaces, was used [6].  

It  was  accepted  that  the  medium  is  homogeneous  and  isotropic,  therefore  the  problem  comes  to  La-

place equation with respect to velocity potential u:  

 

0



u

                                                                     (1);  

with boundary conditions:  

q=0 on the impermeable boundary (AF surface in Figure 1)                     (2);   

u=const on the surfaces ABC and EF of the porous medium                     (3);  

2

x

u 

– on the filtration surface DE                                                           (4);  

2

x

u 

 and q=0 on the free surface СD                                                       (5). 

 

 

ABC: u=H

c

,       CD: 

2

x

u 

, q=0,        DE: 

2

x

u 

,           EF: u=H

E

,          AF: q=0 

 

Fig. 1. The boundary conditions in the problem on water flow with free surface 

 

●

 Технические науки 

 

92                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ

 

 

At the numerical calculation of this problem the free surface initial position is defined in an arbitrary 

way, and, besides,  in all points  of this surface q=0 convention is accepted. The  determined potential  value 

for each nodal point of the free surface is compared with the water surface height. If difference among them 

is higher than the maximal permissible error, this difference will be algebraically summarized with the sur-

face height in the corresponding nodal point and new iteration will be carried out.  

 

 

21=20 

            19 

         22            18        17  16   

         23                                15      14             

                                                     13       12            

                                                                      11        10 

                                                                                            8           

      24=1         2          3                    4                    5          6=7                                     

 

j=

6

,

1

     q

j

=0,          j=

9

,

7

     u

j

=0.1,          j=

20

,

10

     q

j

=0, u

j

=x

2             

j=

24

,

1

2

     u

j

=0.5           

 

Fig. 2. The boundary element arrangement scheme for the soil unit   

 

Figure 2 shows the boundary element division in the problem on the flow with the free surface through 

the unit from porous material. The heights of the upper and 

lower pools form respectively 0,5 and 0,1 with respect to the reference surface.  

Final position of the free surface was obtained after the 6

th

 iteration [7].  

Let’s  consider  in  details  the  problem  on  the  filtration  through  the  dam  with  the  damaged  upper  and 

lower pools of the porous medium (Figure 3), where section АВСК, LEF – fragment of the upper and lower 

dam  pools  respectively.  Therefore,  the  boundary  conditions  for  the  problem  on  the  water  flow  through  the 

dam will be different (Figure 3). 

 

 

 

Fig. 3. The boundary conditions in the problem on the water flow through the dam with the damaged pools 

 

The boundary element arrangement scheme for the soil unit at the flow with the free surface through 

the dam with the damaged upper (at the top) and lower dam pools is shown on Figure 4. The boundary ele-

ment arrangement scheme for the soil unit at the flow with the free surface through the dam  with the  dam-

aged upper (in the middle) and lower dam pools is shown on Figure 5. 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

93 

 

 

 

а) - (

2

,

0

3

1



х

,

6

,

0

6

1



х

)          b) - (

3

,

0

3

1



х

,

5

,

0

6

1



х

) 

 

Fig. 4. The boundary element arrangement scheme for the soil unit with the damaged pools  

(beginning of the damage at the dam top) 

 

а) - (

2

,

0

3

1



х

,

6

,

0

6

1



х

)          b) - (

3

,

0

3

1



х

,

5

,

0

6

1



х

) 

 

Fig. 5. The boundary element arrangement scheme for the soil unit with the damaged pools  

(beginning of the damage in the dam middle) 

 

The software was developed  in Delphi 7  visual programming  environment. The program contains all 

necessary data and solutions of the problem, final position of the free surface for the problem with the dam-

aged dam only for the upper pool was obtained after the 7

th

 iteration, and final position of the free surface for 

the problem with the damaged dam and the lower and upper pools was obtained after the 11

th

 iteration. Fig-

ures 6 and 7 shows comparison between the calculated results for the potential at the flow with the free sur-

face through the dam with the damaged only upper pool made earlier and the dam with the damaged upper 

and lower pools [8].  

 

 

●

 Технические науки 

 

94                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ

 

 

 

- a case of the undamaged dam 

- a case with the damaged upper dam pool (

2

,

0

3

1



х

,

2

,

0

4

1



х

) 

- a case with the damaged upper dam pool (

3

,

0

3

1



х

,

3

,

0

4

1



х

) 

- a case with the damaged lower and upper dam pools (

2

,

0

3

1



х

,

6

,

0

6

1



х

) 

- a case with the damaged lower and upper dam pools (

3

,

0

3

1



х

,

5

,

0

6

1



х

) 

 

Fig. 6. Comparison of the calculated results for the potential at the flow with the free surface through the dam with the 

damage at the top only of the upper pool and through the dam with the damage at the top of the upper and lower pools 

 

 

- a case of the undamaged dam 

- a case with the damaged upper dam pool (

3

,

0

3

1



х

,

3

,

0

4

1



х

) 

- a case with the damaged upper dam pool (

4

,

0

3

1



х

,

4

,

0

4

1



х

) 

- a case with the damaged lower and upper dam pools (

2

,

0

3

1



х

,

6

,

0

6

1



х

) 

- a case with the damaged lower and upper dam pools  (

3

,

0

3

1



х

,

5

,

0

6

1



х

) 

 

Fig. 7. Comparison of the calculated results for the potential at the flow with the free surface through the dam with the 

damage in the middle of only the upper pool and the dam with the damage in the middle of the upper and lower pools 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

95 

 

The results of the modeling and computer experiment show possibility of significant influence of the 

dam  washout areas on the  watered  dam  volume and, respectively,  on the filtrate consumption  even at rela-

tively small damage sizes.    

 

Conclusions  

Using  the  numerical  experiment,  the  free  boundary  position  at  the  liquid  filtration  through  the  dam 

with  the  damaged  upper  and  lower  pools  has  been  obtained  and  comparative  analysis  with  the  results,  ob-

tained in the case of the damage of the upper dam pool only, has been carried out. It is seen from the results 

that  in  the  case  with  the  damage  of  the  upper  dam  pool  there  is  more  watering  of  the  soil  than  in  the  case 

with the damage of both dam pools. This is explained by the fact that the water flow at the damaged  lower 

dam pool will be faster and watering of the soil will be less. 

The results of the work show effectiveness of the boundary element methods in the problems on mod-

eling and calculation of the liquid filtration through the soil dams.  

 

ЛИТЕРАТУРА 

[1]  Волков И.М., Кононеко П.Ф., Федичкин И.К. Гидротехнические сооружения. -М.: Колос, 1968. 

[2] Liggett J.A. Location of Free Surface in Porous Media, J. Hydraulics Div.ASCE, vol.103,1977- p.353-365  

[3] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Серимбетов М.А. Применение метода граничных элементов для ре-

шения  задач  фильтрации  воды  через  дамбу  //  Наука  и  образование  Южного  Казахстана.  –2010.  -  №2  (81).                      

– С. 84-87. 

[4] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Бренер А.М.Решение задач фильтрации воды через дамбу с  проры-

вами // Наука и образование Южного Казахстана. –2010. - №6 (85). – С. 94-98. 

[5] Калбаева А.Т., Куракбаева С.Д., Бренер А.М. Моделирование фильтрации через дамбу с прорывами в 

ортотропных  средах  //  Сборник  статей  V  Международной  научной  конференции  «Инновационное  развитие  и 

востребованность науки в современном Казахстане» (часть IV) естественно-технические науки.- Алматы, 2011. 

– С. 105-108.  

[6] Бреббия К., Телес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. – М.: Мир, 1987. -524с. 

[7] Калбаева А.Т., Бердалиева Г.А. Численное исследование фильтрации жидкости через дамбу с водоне-

проницаемыми  закладными  элементами  //  Сборник  научных  трудов  аспирантов,  магистрантов,  стажеров-

исследователей ЮКГУ им. М.Ауезова. - Шымкент, 2002-№3. - C.8-11 

 [8] Кalbayeva А.Т., Kurakbayeva S.D., Kurakbayev А.D., Brener А.М. Mathematical model and software for meth-

ods of calculating liquid filtration through the soil dams // Herald of KazNRTU . – Аlmaty,2016. - №3 (115) –p. 311-316 

 

Калбаева А.Т., Куракбаев А.Д., Бренер А.М., Усенова А.Ж.,Куракбаева С.Д.  

Методика расчета фильтрации воды через дамбу с повреждением верхнего и нижнего  бьефов 

Резюме. В статье показана методика применения метода граничных элементов для  численного 

решения  задачи  фильтрации  жидкости  из  открытого  водоема  через  дамбу  с  учетом    повреждений 

верхнего и нижнего бьефов дамбы. Разработано соответствующее программное  обеспечение в среде  

визуального программирования Delphi 7. Проведено сравнение расчетных результатов для потенциа-

ла при течении со свободной поверхностью через дамбу с повреждением только верхнего бьефа, про-

деланное  ранее  и  дамбу  с  повреждением  верхнего  и  нижнего  бьефов.  Результаты  моделирования  и 

компьютерного  эксперимента  показывают  возможность  существенного  влияния  областей  размыва 

дамбы  на  смоченный  объем  дамбы  и,  соответственно,  на  расход  фильтрата  даже  при  относительно 

небольших размерах повреждений.   

Ключевые слова: фильтрация воды, дамба, грунтовой блок, метод граничных элементов, сво-

бодная поверхность 

 

Қалбаева А.Т., Құрақбаев А.Ж., Бренер А.М., Усенова А.Ж., Құрақбаева С.Ж.  

Жоғарғы және төменгі бьефтардың зақымдануымен бөгет арқылы судың сүзуін есептеу әдісі  

Түйіндеме.  Бұл  мақалада  бөгеттің  жоғарғы  және  төменгі  бьефтардың  зақымдануын  ескере 

отырып  бөгет  арқылы  ашық  су  айдынынан  сұйықтықтың  сүзуінің  есебін  сандық  шешуге  арналған 

элементтердің  шекаралық  әдісін  қолданудың  әдістемесі  көрсетілген.  Delphi  7  визуальдық  бағдарла-

малау  ортасында  сәйкес  бағдарламалық  қамтамасыздандыру  өңделді.  Жоғарғы  және  төменгі  бьеф-

тардың  зақымдануымен  бөгетпен  бұрын  жасалынған, ағымдағы  беткейлі  бөгет  арқылы  тек  қана  жо-

ғарғы бьефтің зақымдануымен әлеуеті үшін есептеу нәтижелерін салыстыру жүргізіледі. Үлгілеу жә-

не компьютерлік эксперимент нәтижелері бөгеттің шайып кету  облысының бөгеттің батырылған кө-

леміне елеулі әсерінің мүмкіндігін және тиісінше тіпті салыстырмалы түрде шағын мөлшерде зақым-

данудан құралатын сүзінді судың шығынын көрсетеді. 

Кілттік сөздер: суды сүзгілеу, дамба, топырақтық блок, шекаралық элементтер әдісі, еркін кеңістік 

 

●

 Технические науки 

 

96                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ

 

 

УДК 621.652 

 

К. Елемесов,  Е.К.Толымбеков  

(Казахский национальный технический исследовательский университет им. К.И. Сатпаева) 

 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОСИСТЕМЫ ГОРНЫХ МАШИН  

С ПРИМЕНЕНИЕМ АРПМ 

 

Аннотация.  На  сегодняшний  день  гидравлические  машины  (гидромоторы  и  гидронасосы) 

нашли широкое применение в различных сферах промышленности, а также в крупных домашних хо-

зяйствах.  Так  как  такие  установки  способны  выдержать  большие  нагрузки,  они  эффективно  приме-

няются  на  технических  предприятиях, в  водоснабжении  участков,  квартир  и  домов,  а  также  в  сило-

вых установках космических кораблей.  

Существует  большое  разнообразие  типов  и  конструкций  гидравлических  насосов,  но  всех  их 

объединяет  единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы, использующие принцип вы-

теснения, называются  объемными.  К  таким  устройствам  относят    аксиально-поршневе  насосы  кото-

рые  являются  самыми  распространёнными  в  современных  гидроприводах.  По  количеству  конструк-

тивных  исполнений  они  во  много  раз  превосходят  прочие  типы  гидронасосов.  Они  обладают 

наилучшими  габаритно-весовыми  характеристикаму  (иными  словами,  имеют  высокую  удельную 

мощность)  и  высокии  КПД.  Насосы  этого  типа  способны  давать  давление  до  40МПа  и  работать  на 

высоких  частотах  вращения  (насосы  общего  применения  имеют  частоты  до  4000  об/мин,  но  суще-

ствуют специализированные насосы с частотами вращения до 20000 об/мин).  

Ключевые слова: насосы, аксиально- поршневые насосы, давление. 

 

Гидравлические  насосы  предназначены  для  преобразования  механический  энергии  (крутящий 

момент, частоту вращения)  в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие 

типов  и  конструкций  гидравлических  насосов,  но  всех  их  объединяет  единый  принцип  действия  – 

вытеснение  жидкости.  Насосы,  использующие  принцип  вытеснения,  называются  объемными.  Во 

время  работы  внутри  насоса  образуются  изолированные  камеры,  в  которых  рабочая  жидкость 

перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания 

и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для 

работы в условиях высокого давления в гидросистеме. 

Основными параметрами гидронасосов являются: 

•  Рабочий  объем  (удельная  подача)  [см

3

/об]  –  это  объем  жидкости  вытесняемый  насосом  за  1 

оборот вала; 

•  Максимальное рабочее давлени [МПа, bar]; 

•  Максимальная частота вращения [об/мин]; 

При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных 

определенным  типам  насосов  и  особенности  разрабатываемой  гидросистемы.  Основными 

критериями выбора насоса являются: 

 

диапазон рабочих давлений; 

 

 интервал частот вращения; 

 

диапазон значений вязкости рабочей жидкости; 

 

 габаритные размеры; 

 

доступность конструкции для обслуживания; 

 

стоимость; 

 Далее  будут  рассмотрены  аксиально-  поршневые  насосы  с  описанием  их  конструктивных 

преимуществ и недостатков. 

Аксиально-поршневые  насосы  –  это  разновидность  роторно-поршневых  гидромашин  с 

аксиальным  расположением  цилиндров  (т.е.  располагаются  вокруг  оси  вращения  блока  цилиндров, 

параллельны  или  располагаются  под  небольшим  углом  к  оси).Существует  деление  по  типу 

вытеснителя на аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые гидромашины. Отличаются они тем, 

что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни см. рис.1. 

 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

97 

 

 

 

Рис. 1. 

 

Насосы данного типа являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По 

количеству  конструктивных  исполнений  они  во  много  раз  превосходят  прочие  типы  гидронасосов. 

Эти  насосы  обладают  наилучшими  габаритно-весовыми  характеристики  (иными  словами  имеют 

высокую удельную мощность), обладают высоким КПД.Насосы этого типа способны даватьдавление 

до 40МПа и работать на высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до 

4000  об/мин,  но  существуют  специализированные  насосы  этого  типа  с  частотами  вращения  до               

20000 об/мин). 

Преимущества аксиально поршневого агрегата: 

  если сравнивать характеристики и  работу  аксиально   поршневого насоса с другими подоб-

ными агрегатами, то они являются довольно компактными (вес установки относительно небольшой), 

и при этом обладают довольно большой мощностью; 

  рабочие органы имеют небольшие размеры и обуславливают малый момент инерции; 

 в подобных машинах имеется возможность быстро регулировать частоту вращения; 

 кроме того, из преимуществ таких агрегатов стоит отметить, что  они способны работать при 

высоком  давлении.  При  этом  они  функционируют  со  сравнительно  большой  частотой  вращения  и 

имеют возможность менять рабочий объем; 

 диапазон  вращения  в  подобных  агрегатах  составляет  от  500  до  4  тысяч  оборотов  в  минуту. 

Это  несомненное  их  преимущество  по  сравнению  с  гидромоторами  и  устройствами  радиально-

поршневого типа; 

 такие машины без особых проблем могут выполнять свои функции при давлении до 35-40 ме-

гапаскалей.  Для  сравнения  радиально-плунжерные  устройства  имеют  максимальное  рабочее  давле-

ние 30-35 мегапаскалей.  

  Из недостатков следует выделить следующее: 

 высокая стоимость; 

 довольно сложная конструкция; 

 невысокая надежность. Возможны частые поломки при неправильной 

эксплуатации; 

 существенная пульсация подачи и расхода; 

 большая пульсация давления во всей системе; 

 из-за высокой сложности устранение неисправностей аксиально 

поршневых насосов может занять продолжительное время. 

жүктеу/скачать 28,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: