Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматические водосливы и автоматически действующие затворы 10
1.1. Проблема пропуска быстронарастающих паводков на речных гидроузлах России 10
1.2. Автоматические водосбросы и автоматически действующие затворы водохранилищных гидроузлов 15
1.3. Вододействующие автоматические затворы 16
1.4. Автоматические одноразовые затворы системы «Гидроплюс» 19
1.5. Опыт эксплуатации затворов «Гидроплюс» с учетом климатических особенностей России 36
1.6. Вопросы гидравлики затворов «Гидроплюс», подлежащие экспериментальному изучению 38
2. Методика и оборудование для проведения лабораторных и натурных исследований затворов «Гидроплюс» 42
2.1. Лабораторные исследования 42
2.2. Натурные исследования 54
2.3. Образцы затворов «Гидроплюс», испытанные в лабораторных и натурных условиях 58
2.4. Оборудование и методика мониторинга зимних условий эксплуатации затворов «Гидроплюс» 72
3. Гидравлические характеристики затворов «Гидроплюс» 76
3.1. Скорости течения при переливе потока через затвор 76
3.2. Давление внутри затвора 82
3.3. Давление на затвор снаружи и изучение влияния подтопления затвора со стороны нижнего бьефа 86
3.4. Гидравлические процессы, приводящие к колебаниям затвора перед его опрокидыванием 117
3.5. Влияние формы шахты рабочей камеры на уровень опрокидывания затвора 127
3.6. Определение моментов сил и устойчивости затвора в различных эксплуатационных условиях 134
4. Результаты натурных испытаний одноразовых затворов «Гидроплюс» 142
5. Опыт проектирования водосливных плотин и затворов «Гидроплюс» с использованием результатов экспериментальных исследований 165
5.1. Мировая практика применения затворов «Гидроплюс» 165
5.2. Водосливная плотина гидроузла Хоробровской ГЭС с затворами «Гидроплюс» 169
5.3. Водосливная плотина гидроузла "Ghrib"B Алжире 172
5.4. Перспективы применения затворов «Гидроплюс» на гидроузлах России 173
5.5. Обобщенная характеристика водосливных плотин, на которых целесообразна установка затворов «Гидроплюс» 178
5.6. Перспективы (основные направления) совершенствования конструкций вододействующих затворов 181
Выводы по главе 5 183
Общие выводы и рекомендации 185
Литература 190
- Автоматические водосбросы и автоматически действующие затворы водохранилищных гидроузлов
- Образцы затворов «Гидроплюс», испытанные в лабораторных и натурных условиях
- Давление на затвор снаружи и изучение влияния подтопления затвора со стороны нижнего бьефа
- Результаты натурных испытаний одноразовых затворов «Гидроплюс»
Введение к работе
Экологическая катастрофа глобального потепления климата сопровождается повышением водности рек, оцениваемых Гидрометом России в 16% за 1995-2005 гг. Наряду с антропогенным преобразованием поверхности площади водосбора это увеличивает вероятность прохождения паводков, считавшихся ранее редко повторяющимися. Как правило, катастрофические условия возникают и развиваются на водоподпорных сооружениях неожиданно и быстро; при этом одновременно, в силу возможных экстремальных внешних условий (отключение электроснабжения, нарушение коммуникаций, связи и т. п.) оказывается невозможным выполнение штатных технологических функций, обеспечивающих предотвращение аварии. Существование на многих водосливных плотинах в Российской Федерации затворного оборудования с ручным управлением обуславливает низкую оперативность в управлении водопропускными сооружениями и повышает опасность катастрофического повышения уровня воды в водохранилище. В дополнение к этому ветхое состояние большинства малых и средних плотин в России дополнительно повышает вероятность аварий с плотинами и создания чрезвычайных ситуаций. Это подтверждается ежегодными авариями на ряде плотин в различных регионах России.
Главной опасностью при этом является перелив потока через гребень плотин и дамб и неуправляемый их размыв, приводящий к трагическим последствиям. Перелив через гребень плотины вызывается превышением быстро увеличивающегося расхода притока над неоперативно регулируемой пропускной способностью водосбросных сооружений, неграмотной эксплуатацией водосбросов, неисправностью затворного оборудования или невозможностью его нормального функционирования в экстремальных условиях высоких, быстро нарастающих паводков, а также ветхостью и неудовлетворительным состоянием самих плотин.
По перечисленным причинам сегодня особую важность приобретает обеспечение надежности работы водопропускных сооружений и их затворного оборудования, их технологической автономности и быстродействия. В Российской Федерации в ближайшие годы проблема создания надежных водопропускных сооружений будет весьма актуальной в связи с масштабными планами строительства малых гидроэлектростанций (МГЭС).
Строительство малых ГЭС, как правило, осуществляется в районах, где подключение потребителей к объединенным крупным энергосистемам или нерационально, или невозможно. Это районы освоения полезных ископаемых, зоны туризма или малые реки, осваиваемые частными потребителями, желающими иметь дешевую гидроэнергию для своих хозяйств.
В мировой практике последних лет наблюдается тенденция к автоматизации работы оборудования ГЭС и полной автономии, то есть независимости от других источников энергоснабжения, от квалификации персонала, от любых природных явлений, будь то чрезвычайные паводки, ураганы, обрушения берегов, прорывы плотин выше по течению и т.д.
Эта тенденция относится не только к строительству новых плотин, но и к модернизации уже построенных.
Поскольку малые ГЭС имеют сравнительно малые объемы водохранилищ, то заиление их происходит через несколько лет после строительства. Полезный объем их резко сокращается. Поэтому требования к устанавливаемым на проектируемых и эксплуатирующихся плотинах затворам включают условия увеличения при минимальных затратах полезной емкости водохранилищ и, в то же время, повышения надежности эксплуатации водосбросов.
Перечисленным требованиям удовлетворяют известные в гидротехнике автоматически действующие затворы, открывающие водопропускное отверстие при соответствующем поднятии уровня верхнего бьефа. В мире имеется опыт конструирования и эксплуатации подобных затворов, однако для их применения в российских условиях необходимо проведение достаточно обширных научных исследований, опытного проектирования и пионерной эксплуатации в сложных климатических условиях. Перечисленные обстоятельства обуславливают актуальность выполненной диссертационной работы.
В научно-исследовательской лаборатории Центра гидравлических исследований (ЦГИ) Научно-исследовательского института энергетических сооружений (НИИЭС) при участии автора совместно с французской фирмой «Гидроплюс», разработавшей конструкции, так называемых одноразовых (опрокидываемых) автоматических вододеиствующих затворов — полигональных, с плоским щитом, цилиндрических, — проведены их подробные модельные испытания. Разработаны и испытаны также несколько типов многоразовых затворов применительно к плотинам Хоробровской МГЭС на р. Нерль, Чагоянской на р. Зея, Петровской на р. Нерль — Клязьминская, гидроузла Гриб в Алжире.
В процессе исследований выяснены особенности этих затворов, улучшены их характеристики и разработан ряд новых конструкций многоразового использования.
Анализу этого материала и выработке рекомендаций по применению вододеиствующих затворов в условиях России посвящена настоящая работа.
Цель работы: научное обоснование гидравлических характеристик и анализ отечественного опыта эксплуатации автоматических вододеиствующих затворов повышенной надежности для водосливных плотин.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- выполнить аналитический обзор известных конструкций автоматических вододеиствующих затворов и выявить наиболее приемлемые для условий России конструкции, подлежащие дальнейшей конструктивной проработке, модельным гидравлическим испытаниям и опытной эксплуатации;
- создать материальную базу для проведения модельных гидравлических испытаний и разработать методику этих испытаний;
- провести модельные гидравлические испытания и установить количественные значения влияющих факторов и соотношения между ними;
- разработать научно обоснованные рекомендации по гидравлическому расчету и проектированию автоматических вододеиствующих затворов;
- провести мониторинг факторов и физических характеристик, описывающих эксплуатационное состояние автоматических вододеиствующих затворов и обобщить опыт их эксплуатации на водосливной плотине Хоробровского гидроузла в различные периоды года. Рабочая гипотеза опирается на представление о возможности и целесообразности применения усовершенствованной конструкции автоматических вододеиствующих затворов на водосливных плотинах преимущественно небольших гидроузлов в суровых климатических условиях России, особенно с учетом сложных социальных условий в регионах.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
- на основании выполненных модельных гидравлических испытаний установлены закономерности взаимодействия тела затвора с массой воды в водохранилище, условия сохранения стабильности и опрокидывания затвора;
- научно обоснованы условия проектирования батареи автоматических вододеиствующих затворов с целью обеспечения их последовательного включения в работу (опрокидывания) по мере повышения уровня воды в водохранилище;
- на основании анализа опыта эксплуатации автоматических вододеиствующих затворов на водосливной плотине Хоробровского гидроузла разработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию затворов для применения в суровых климатических условиях России;
- на основании результатов гидравлических испытаний и анализа опыта эксплуатации разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию гидравлических характеристик и эксплуатационных свойств автоматических вододеиствующих затворов водосливных плотин.
Методы исследований. Основными методами исследований были гидравлические испытания моделей вододеиствующих затворов и мониторинг промышленных образцов вододеиствующих затворов в различные времена года на Хоробровском гидроузле.
Достоверность полученных результатов обусловлена тщательной подготовкой и проведением модельных гидравлических испытаний, в том числе выполнением законов моделирования, применением современных методов обработки экспериментальных данных, проведением многолетнего мониторинга эксплуатации промышленных образцов автоматических водо-действующих затворов в натурных условиях, преимущественно в суровые зимние периоды года.
Практическая значимость полученных результатов определяется возможностью непосредственного использования разработанных рекомендаций в практике гидротехнического проектирования; в практике эксплуатации автоматических вододействующих затворов на водосливной плотине Хороб-ровского гидроузла, при определении направлений дальнейшего совершенствования конструкции затвора.
Автоматические водосбросы и автоматически действующие затворы водохранилищных гидроузлов
Поскольку при пропуске высоких быстронарастающих паводков времени для операций с затворным и крановым оборудованием нет, применяют, как правило, нерегулируемые (глухие) водосливы или сифонные водосбросы [1,7,34,55,64].
Недостатком нерегулируемых водосливов является то, что их порог расположен на отметке НПУ или несколько выше нее. При этом максимальный напор определяется при отметке ФПУ, поэтому для пропуска больших расходов требуется существенная длина водосливного фронта. Для увеличения длины водосливного фронта применяют лабиринтные, траншейные, кольцевые, лепестковые формы водосливов, что не является самым экономичным решением [1, 5, 9].
При использовании сифонных водосбросов их пропускная способность определяется сечением сифонных водоводов, которое также весьма ограничено. В практике строительства они используются редко. Обычно удельный расход сифона не превышает 25 м /с-м. Недостатком сифонных водосбросов является возможность забивки входа льдом или плавающим мусором. Требования к форме сифона и ограничения по скоростям течения сужают диапазон их применимости. При низких напорах они вообще малоэффективны [9, 34].
Одним из наиболее надежных средств предотвращения разрушения дамб и плотин во время экстремальных паводков является устройство автоматически срабатывающего (открывающегося) затвора или даже размыв заранее определенной части плотины при достижении уровнем верхнего бьефа определенной отметки, то есть реализация на водосливной плотине принципа, который в технике получил общее название «плавкой вставки». Однако недостатками этого метода могут быть большая волна излива в нижнем бьефе при размыве «вставки», высокая стоимость восстановления «вставки» и неизбежность сработки водохранилища до порога «плавкой вставки» на период ее восстановления [37, 56, 64, 82].
Последнее ведет к значительной потере выработки электроэнергии, длительному нарушению водопользования из водохранилища.
Кроме того, процесс размыва «вставки» малоуправляем, и пропускаемый расход при этом увеличивается с ускорением, что формирует волну попуска в нижнем бьефе с крутым фронтом, опасную для сооружений в зоне затопления, причем при расчетном уровне верхнего бьефа, то есть при небольшом переливе через гребень смывается вся вставка.
Одной из задач применения затворов «Гидроплюс» является минимизация раскрытия отверстия, путем поочередного опрокидывания затворов. Опрокидывание следующего затвора (или группы затворов) должно происходить только при продолжении подъема уровня верхнего бьефа. Этим обеспечивается регулирование интенсивности попусков в нижний бьеф.
Вододействующие затворы — это механизмы, единственной силой, приводящей их в действие, является вода, ее вес или давление.
Идея использовать воду как движущую силу для работы затворов известна еще со времен Леонардо да Винчи. В начале 20 века были примеры использования их на современных водоподпорных плотинах [7]. Так, на плотине Lockport близ Чикаго в США в 1909 году был установлен секторный вододеиствующии затвор, поднимающийся при поступлении в камеру под ним воды из верхнего бьефа [7].
В Германии, примерно в это же время, на р.Везер и в Норвегии на р. Гломмер в 1920 г. были построены плотины с вододействующими затворами. Секторный затвор на плотине Lockport (США) и на р. Везер (Германия) представляет собой опускающийся в нишу сектор, внутрь которого подается вода из верхнего бьефа (рис. 1.2). Для поддержания затвора в закрытом состоянии камера, образованная конструкцией затвора и нишей порога, должна быть постоянно под давлением верхнего бьефа. Регулирование поступления и спуска воды из камеры производится отдельной системой водоводов с затворами, управляемыми вручную или действующими автоматически. В Норвегии на р. Гломмер установлен затвор такого же типа (рис. 1.3).
Позже в США и Швейцарии построены плотины с двойными клапанными затворами. Принцип действия этих затворов - закрытие пролета при заполнении водой рабочей камеры, образованной двумя полотнищами затвора и нишей в пороге. Открытие затвора происходит при спуске воды из рабочей камеры. Спускное устройство также может быть вододействующим. Эти затворы не являются полностью автоматическими, поскольку вентили, регулирующие поступление воды в рабочие камеры затворов, не автоматизированы и имеют ручной привод [9, 52]. В США нашли применение крышевидные затворы, состоящие из двух полотнищ, получившие название затворы Уайта (рис. 1.4). Более усовершенствованные затворы подобного типа, уже в 30е годы прошлого века, нашли применение в Швейцарии. Это затворы также крышевидные, но с другой конструкцией (система Дахвер) соединения полотен, что изменило схему действующих гидростатических сил (рис. 1.5) [19].
Все эти затворы поддерживают напор, используя давление верхнего бьефа, поддерживаемое в рабочей камере между затвором и нишей порога. Они предусматривают перелив потока через гребень, а в открытом положении допускают сплав леса. Они имеют достаточно сложную систему подвода и регулирования давления, которая может быть автоматизирована поплавковым или иным устройством [1].
В силу этой и ряда других причин вододействующие затворы не получили широкого распространения и со второй половины 20-го века применение их в строительстве практически прекратилось. Основными недостатками их являются необходимая высокая точность изготовления и сборки деталей большого размера, влияние протечек в уплотнениях на положение затвора и, в связи с этим, необходимость восстановления давления в камере подпиткой водой, то есть необходимость постоянного контроля и управления механизмами системы наполнения камеры затвора.
Эти устройства, как и вся рабочая камера, в суровых зимних условиях России могут промораживаться, что может вызвать деформации затвора и нарушения уплотнения, а это ухудшает надежность затвора. Они требуют постоянного внимания в процессе эксплуатации. Оперативный контроль в наше время также может быть автоматизирован, но это существенно усложняет эксплуатацию, а, следовательно, также не повышает надежность их работы.
Образцы затворов «Гидроплюс», испытанные в лабораторных и натурных условиях
Испытания затворов типа «Гидроплюс» в гидравлической лаборатории ОАО «НИИЭС» проводились впервые в России. Они были вызваны стремлением проверить пригодность этих затворов в условиях России. За основу были взяты затворы, разработанные французской фирмой «Гидроплюс». Полигоном для проверки и мониторинга затворов натурных размеров была построенная специально для экспериментальных целей малая Хороб-ровская ГЭС. Два береговых пролета ее плотины были приспособлены для установки четырех вододеиствующих затворов классической полигональной формы на напор 1,65 м при НПУ и напор перелива 1,5 м, при котором затворы должны упасть. Предварительно, для получения гидравлических характеристик и проверки расчетных уровней сработки, эти затворы проверялись в лаборатории на фрагментной модели в масштабе 1:10. Проверке подверглись четыре модификации затвора: - затвор классического типа - модель №1; - затвор с малым переливом - тип А; - затвор с большим переливом - тип В; - затвор для водосливов с ледоходом - тип С. Размеры этих затворов (в натурных значениях) приведены в табл. 2.4, конфигурации затворов и обозначения размеров показаны на рис. 2.10 и 2.11, а фотографии модельной установки для их испытания — на рис. 2.5 и 2.12. В табл. 2.4. приведен также пример затвора для гидроузла «Ghrib» в Алжире, исследования которого проведены по договору с французской фирмой «Гидроплюс». В лабораторных исследованиях определялись расходные характеристики, моменты сил относительно низового упорного ребра затвора, давления внутри затвора, в рабочей камере и внешние давления. Для модели типа
С исследовались условия пропуска льда при переливе потока через затвор. В результате обширных лабораторных исследований и сравнения характеристик типов 1, А и В был выбран для Хоробровской плотины затвор типа №1. Он выполнен в натуре в четырех экземплярах — по два затвора на каждый пролет. Затворы установлены с момента приема плотиной напора в 2002 г. (рис. 2.6). С 2002 г. до 2008 г. проводился непрерывный мониторинг этих затворов. В 2004 г. в левобережный пролет вместо двух одноразовых затворов классического типа были поставлены 4 многоразовых затвора, также работающие по принципу затворов «Гидроплюс». Эти затворы, разработанные в ЦГИ ОАО «НИИЭС», прошли испытания на работоспособность и оставлены в пролете для мониторинга в паводок и в зимних условиях. Затворы плотины «Ghrib» были испытаны в лаборатории на двух моделях — пространственной модели гидроузла в масштабе 1:100 и фрагментной модели в масштабе 1:20 (рис. 2.13). На пространственной модели изучалась пропускная способность плотины при падении различного числа затворов. На фрагментной уточнялись элементы конструкции затворов, обеспечивающие их поочередное опрокидывание в определенном порядке.
Для этого уточнялись высота шахты, питающей рабочую камеру, форма ее входного оголовка, вес балластной пригрузки. Кроме того, в лаборатории велись работы по разработке новых конструкций многоразовых затворов, работающих на принципе затворов «Гидроплюс». Такие разработки велись применительно к проекту Чагоянской ГЭС в составе каскада Нижне-Зейских ГЭС (рис. 2.14-2.25) и к проекту Петровской МГЭС на р. Нерль-Клязьминская (рис. 2.26-2.27). В результате этих работ были созданы и проверены на работоспособность семь различных вариантов конструкции затвора. Следует отметить, что многоразовые затворы являются полуавтоматическими, т.е. открываются они автоматически при повышении уровня верхнего бьефа до расчетной оценки, а поднимаются (закрываются) принудительно после снижения уровня до порога водослива. Затворы для Петровской плотины были проверены в натурных условиях на плотине Хоробровской ГЭС (рис. 2.28).
Давление на затвор снаружи и изучение влияния подтопления затвора со стороны нижнего бьефа
Сумма моментов сил, действующих на затвор, складывается из нескольких составляющих, основными из которых являются давление внутри и вне затвора. Если с давлениями внутри затвора вопрос достаточно ясный, то внешнее давление отражает довольно сложную картину обтекания затвора, особенно при подтоплении его со стороны нижнего бьефа. Представлялось необходимым измерить пьезометрическое давление на пороге под затвором, за затвором и между затворами. Пьезометры давали показания, существенно отличающиеся от отметки уровня нижнего бьефа, то есть между падающей струей и затвором создавался режим, зависящий как от значения расхода, так и от степени подтопления. Теоретически эту зависимость выяснить не представляется возможным в силу сложности сопряжения потока, слияния с расходом соседнего затвора, меняющегося режима сопряжения сливающихся потоков и влияния конструкции порога. Для решения этой задачи проводились эксперименты на двух моделях, различавшихся высотой порога над дном русла в нижнем бьефе. Модель № 1 имела порог, поднятый над руслом на 1,81 высоты затвора (рис. 3.13). Модель №2 имела порог на высоте 0,39 от высоты затвора, сопрягающийся с руслом откосом 1:2,5 (рис. 3.14). Рассмотрим влияние нижнего бьефа для высокого порога (модель № 1). На рис. 3.15 представлены результаты измерений пьезометрического давления на высоком пороге при подтоплении со стороны нижнего бьефа пз Расположение пьезометров показано на рис. 3.13. Диапазон изменения напора перелива над водосливной кромкой К = —— составлял от 0,4 до 0,93. Анализ полученных данных показывает следующее:
Давление на пороге не соответствует уровню нижнего бьефа и с увеличением расхода при постоянном уровне нижнего бьефа эта разница возрастает (см. УНБ и пьезометры 3 и 4, рис. 3.15). - При большом подтоплении сопряжение потока после схода с затвора переходит в поверхностный режим, и разница между уровнем нижнего бьефа и давлением за затвором несколько уменьшается. - Давление между затворами (П4) имеет тот же характер, что и давление за затвором (ПЗ), но несколько больше, чем за затвором. Распределение давления вдоль боковых стенок на этой модели не изучалось. Уровень воды под струей может быть как больше, так и меньше уровня нижнего бьефа, то есть существует зависимость этой разницы от глубины в нижнем бьефе, причем различная для пространства между затворами (пьезометр 4, рис. 3.16) и за затвором (пьезометром 3, рис. 3.16). Следует заметить, что на этой модели пьезометр 4 установлен посредине длины стенки, то есть показывает некоторое осредненное значение. На рис. 3.17 показана зависимость давления за затвором (пьезометр 3) от уровня нижнего бьефа для двух напоров перелива. Графики построены в относительных величинах где: УПЗ — отметка уровня в пьезометре 3; УУНБ — отметка уровня нижнего бьефа; Ah — разность уровней под струей и в НБ; hue — глубина нижнего бьефа над порогом; h3 — высота затвора, в данном случае 1,75 м; Нпср— напор перелива над гребнем затвора. По этим данным можно установить, что при глубине КНБ = 0,2 за затворами (ПЗ) происходит перемена знака разницы уровней.
С ростом глубины в нижнем бьефе эта разница из положительных значений (уровень под струей выше уровня НБ) переходит в область отрицательных (уровень под струей меньше уровня НБ). В случае отсутствия подтопления нижним бьефом глубина на пороге под струей составляет 0,15-0,2 высоты затвора и мало зависит от расхода перелива (рис. 3.18). При подтоплении порога со стороны нижнего бьефа больше этого значения уровень на пороге ниже, чем в нижнем бьефе. Он зависит от двух факторов — степени подтопления и расхода перелива. Наиболее важными являются условия при больших расходах перелива. При больших переливах уровень нижнего бьефа может превысить отметку гребня затвора, тогда разница между уровнем под струей и уровнем нижнего бьефа становится несущественной. Однако могут быть условия, когда подтопление существует и при малых переливах. Дальнейший подъем уровня нижнего бьефа влечет за собой увеличение давления по всем пьезометрам. Когда уровень нижнего бьефа подтапливает сливную кромку затвора (КНБ = 1), режим течения становится поверхностным, и разница в давлениях становится несущественной. Но во всех экспериментах давление на пороге за затвором (ПЗ) меньше, чем между затворами (П4). Это подтверждает сложность учета внешнего давления на затвор, поэтому следующая серия экспериментов проведена с целью получить более подробную картину внешних давлений на потолок рабочей камеры, на заднюю наклонную стенку и на боковые стенки затвора. С этой целью пьезометры, расположенные по схеме рис. 3.8, были подключены так, что их устья были направлены наружу. Тогда пьезометры 1-7 показывают давление на потолке рабочей камеры, пьезометры 8-11 — на задней наклонной стенке снаружи и пьезометры 12-13 — на боковых стенках из межзатворного пространства. Эксперименты показали следующее: - при неподвижном положении затвора на пороге, когда затвор прижат к порогу избыточным положительным давлением, в рабочей камере давление одинаково по всем пьезометрам; - в состоянии равновесия (сумма моментов равна нулю) затвор приподнимается, а затем опять опускается на порог или колеблется в чуть приподнятом состоянии. Только дальнейшее нарастание верхнего бьефа приводит к опрокидыванию затвора. Это явление заслуживает отдельного рассмотрения; - давление на заднюю (наклонную) стенку не соответствует уровню нижнего бьефа и уровню на пороге. Оно примерно на 10-15% меньше, чем уровень на пороге за затвором. Аналогичный анализ проведен и для давления на боковую стенку (рис. 3.19) по пьезометру 4, установленному на пороге по схеме рис. 3.13.
Результаты натурных испытаний одноразовых затворов «Гидроплюс»
Впервые в России одноразовые затворы «Гидроплюс» были установлены в двух береговых экспериментальных пролетах водосливной плотины малой Хоробровской ГЭС [17, 39, 47, 50]. План сооружений Хоробровской ГЭС показан на рис. 4.1. Затворы имели высоту 1,75 м, ширину 3,15 м. В каждом пролете было установлено два одинаковых затвора (рис. 4.2), рассчитанных по методике, описанной в настоящей диссертации. Напор плотина приняла в 2001 году. В течение последующих лет и до настоящего времени ведется постоянный мониторинг затворов как в межень и в паводок, так и в зимнее время. В первые два года наблюдения зимой и в паводок проводились ежедневно, в последующие годы - периодически при изменении гидрологических или метеорологических факторов [23, 26, 27, 35, 36,40,78,79]. Программа мониторинга включала необходимый ряд вопросов, дающих материал для выводов о возможности использования таких затворов в условиях России [31]. Мониторинг проводился по форме, представленный в табл. 4.1. Поскольку опрокидывание этих затворов рассчитано на паводок с вероятностью превышения 3%, то есть один раз в 33 года, то натурную проверку затворов на опрокидывание за период наблюдения провести не удалось. Задачей мониторинга было изучение поведения затворов зимой и в паводок в климатических условиях средней полосы России [41].
Следует отметить, что достаточно суровые зимние условия характерны не только для нашей страны. Многие северные страны Северного полушария регулярно сталкиваются с снежными и ледовыми условиями [58, 60, 61, 63, 65, 74, 76, 77, 85, 87] и специалисты этих стран уделяют изучению "северных" проблем эксплуатации гидротехнических сооружений серьезное внимание. При планировании зимнего мониторинга на Хоробровском гидроузле имеющаяся зарубежная информация была внимательно изучена. Было обращено внимание на то, что и применительно к затворам «Гидроплюс» были попытки оценить их поведение в условиях отрицательных температур [57, 86]. Вместе с тем, мы пришли к заключению, что имевшихся сведений было явно недостаточно для вынесения решения по такому столь важному для нас вопросу о рекомендации по установке опытно-промышленных образцов затворов на Хоробровской ГЭС, и для получения конкретных и достоверных данных и было принято решение о проведении долгосрочного зимнего мониторинга. гг. выдалась теплой. Судя по графику хода температур воздуха (рис. 4.3), за исключением 3-4 дней в середине декабря и начале января, среднесуточная температура колебалась в пределах ± 5С. Снежный покров (рис. 4.4) достиг максимума (40 см) к концу декабря, а далее до весны слой снега на льду за счет подтаивания и уплотнения уменьшался с 40 см до нуля в начале марта. На площадке Хоробровской ГЭС в зимнее время господствующими являются ветры северо-западного направления (рис. 4.5).
Следствием этого является вынос брызг от слива через "лабиринт" в верхний бьеф, намокание снега и намораживание затем льда внутри "лабиринта" и перед ним. По этой причине толщина льда на участке до 5 м перед "лабиринтом" увеличивается в полтора раза (до 60 см) [89]. При сплошном ледоставе ветер никак не воздействует на лед. В весенний период восточный и юго-восточный ветер могут пригнать к водосливу лед, отошедший от берегов. Это может быть ощутимым при нарастании рас хода весеннего паводка. Весной 2002 г. паводок был очень низким (рис. 4.6) и влияния ветра на подвижки ледяного поля не было отмечено. К сожалению, дальнейшие наблюдения за ходом паводка на его спаде не проводились. Поскольку турбины на ГЭС тогда еще не были установлены, через плотину и затворы всю зиму пропускался естественный сток. Ход уровней в верхнем бьефе за зимние месяцы (рис. 4.7) показывает, что колебания расхода наблюдались в пределах 10-15 м /с. В соответствии с кривыми пропускной способности "лабиринта" и затворов «Гидроплюс» (рис. 4.8 и 4.9), в ходе весеннего половодья максимальный уровень верхнего бьефа достигал отметки 123,8 м, что соответствует расходу около 29 м /с. При этом происходил перелив через кромку затворов, отметка которой (123,6) выше отметки гребня "лабиринта" на 10 см. Расход "лабиринта" со-ставлял 26,6 м /с, расход через четыре затвора «Гидроплюс» - 2,85 м /с.
