ПОВЕРХНОСТНЫЙ НЕРЕГУЛИРУЕМЫЙ ВОДОСБРОС ГИДРОУЗЛА
OPEN UNCONTROLLED SPILLWAY OF WATERWORKS FACILITY

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности к поверхностным нерегулируемым водосбросам гидроузлов малого и среднего напора, работающих в суровых ледовых условиях.
Известен поверхностный нерегулируемый водосброс гидроузла, содержащий выполненные из бетона водослив, боковые стенки и сопрягающее сооружение в виде быстротока, обеспечивающего преодоление потоком разности уровней бьефов гидроузла (Гидротехнические сооружения. / Под ред. М.М.Гришина. Ч.1. - М.: Высшая школа, 1979. С.572, рис.1а).
Недостатком такого водосброса является, прежде всего, то, что он при весеннем ледоходе не защищен от разрушающего воздействия движущегося по нему льда.
Известен поверхностный нерегулируемый водосброс гидроузла (Енашиминская ГЭС на реке Енашимо в Средне-Енисейском районе Красноярского края), содержащий выполненные из бетона водослив, боковые стенки и сопрягающее сооружение в виде водобоя и выполненные из железнодорожных рельсов противоледовые элементы, которые расположены с низовой стороны от верховой грани водослива на расстоянии друг от друга каждый в новой (своей) плоскости поперечного сечения водослива и по длине скреплены с водосливом, при этом головки рельсов выступают за водосливную поверхность водослива.
Данный поверхностный нерегулируемый водосброс наиболее близок к предлагаемому водосбросу. Недостатки его заключается в следующем: после начала на реке ледохода водосброс низконапорного гидроузла ежегодно при относительно невысоких расходах и уровнях воды в бьефах и практически без удержания осуществляет пропуск относительно крупных льдин, не успевших в существенной мере снизить прочность;
- противоледовые элементы с малой высотой выступов в недостаточной мере защищают водосливную поверхность водосброса от воздействия движущегося по нему высокопрочного льда;
- высокий расход металла на изготовление длинномерных противоледовых элементов;
- пропущенный через водосброс лед в реке, текущей на север, способен образовать в нижнем бьефе гидроузла затор.
Технический результат заключается в том, что изобретение позволяет:
- снизить прочность льда;
- увеличить расход воды и повысить ее уровни в бьефах и на водосливе в период пропуска льда;
- повысить интенсивность дробления льда над гребнем водослива;
- уменьшить металлоемкость противоледовых элементов;
- снизить интенсивность образования заторов льда в нижнем бьефе гидроузла.
Последний технический результат (предотвращение заторов) при определенных условиях местности может оказаться главным.
расч.
yд.
Для достижения указанного технического результата в поверхностном нерегулируемом водосбросе гидроузла, содержащем выполненные из бетона водослив, боковые стенки и сопрягающее сооружение и выполненные из металла противоледовые элементы, которые имеют длинномерный вид, расположены с низовой стороны от верховой грани водослива на расстоянии друг от друга каждый в новой плоскости поперечного сечения водослива, скреплены с водосливом и выступают за его водосливную поверхность, согласно изобретению величина превышения гребня выступающей части противоледового элемента над гребнем водослива а обеспечивает относительное длительное удержание перед водосливом льда расчетной толщины b. Это удержание осуществляется до поднятия перед водосливом уровня воды на заданную величину, превышения им гребня водослива h, обеспечивающей снижение прочности льда в период удержания, увеличение расхода воды в период пропуска льда через водослив, повышение интенсивности дробления льда над гребнем водослива и снижение интенсивности образования заторов льда в нижнем бьефе гидроузла. Одновременно с этим соблюдаются неравенства:
уд
расч
макс
h<a+b<h,
макс
где h - величина расчетного максимального превышения уровня воды перед водосливом над его гребнем.
Дополнительно, противоледовый элемент выполнен полым, при этом его верховой торец выше сливной поверхности водослива имеет вид откоса.
расч
yд
Отличительными признаками предлагаемого водосброса от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является, прежде всего, то, что величина превышения гребня выступающей части противоледового элемента над гребнем водослива а обеспечивает удержание перед водосливом льда расчетной толщины b до поднятия перед водосливом уровня воды на заданную величину превышения им гребня водослива h, причем одновременно соблюдены неравенства:
уд
расч
макс
h<a+b<h.
Благодаря наличию этих признаков при работе водослива во время ледохода лед перед водосбросом задерживается до приближения (наступления) пика паводка, в результате чего температура льда повышается, а его прочность в существенной мере снижается, при этом расходы воды через водосброс и соответствующие им уровни воды в бьефах гидроузла повышаются. Причем лед, наползая по откосным торцам на высокие противоледовые элементы, ломается и превращается в мелкобитый лед, который, находясь в высокорасходном относительно глубоком потоке, слабо воздействует на водослив и на сопрягающее сооружение. Указанные обстоятельства повышают сохранность водосброса и обеспечивают уменьшение, в сравнении с прототипом, длины противоледовых элементов, что уменьшает расход металла. Дополнительно, задержание льда перед водосбросом предотвращает образование затора в нижнем бьефе гидроузла на протяженном участке реки.
При особо высоких противоледовых элементах (в рамках выше указанных ограничений) пропуск низкорасходного весеннего паводка может быть осуществлен без сброса льда в нижний бьеф гидроузла.
Более того, в период задержания льда на энергетическом гидроузле происходит увеличение выработки электрической энергии за счет поддержания более высокого, в сравнении с аналогами, уровня воды в верхнем бьефе гидроузла.
yд
макс
Величина превышения уровнем воды над гребнем водослива h, до которой осуществляется удержание льда перед водосбросом, ограничена с одной стороны функциональным признаком, который по сути является техническим результатом изобретения, а с другой стороны - расчетным максимальным уровнем воды перед водосбросом, который характеризуется величиной h. Именно эти два одновременно действующих признака-ограничения обеспечивают заявляемому водосбросу новую по отношению к установленным аналогам совокупность признаков и они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условиям патентоспособности как «новизна», так и «изобретательский уровень».
Предлагаемый водосброс иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-7.
На фиг.1 показан водосброс, план; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (пример 1); на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.1 (пример 2); на фиг.5 - водосброс-прототип, общий вид, фотография с нанесенными дополнительными противоледовыми элементам (пример 3); на фиг.6 - разрез С-С на фиг.5; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.6.
расч
yд
уд
расч
макс
Пример 1 (фиг.1-3). Поверхностный нерегулируемый водосброс гидроузла расположен на реке 1, содержит выполненные из бетона водослив 2, боковые стенки в виде устоев 3 и сопрягающее сооружение в виде водобоя 4 и выполненные из металла противоледовые элементы 5. Эти противоледовые элементы 5 имеют длинномерный вид, расположены с низовой стороны от верховой грани 6 на расстоянии друг от друга каждый в новой плоскости поперечного сечения водослива 2, по длине анкерами 7 скреплены с водосливом 2 и на всю свою высоту выступают за его водосливную поверхность 8. Величина превышения гребня 9 противоледового элемента 5 над гребнем 10 водослива 2 а обеспечивает удержание перед водосливом 2 льда 11 расчетной толщины b до поднятия перед водосливом 2 уровня воды 12 на заданную величину превышения им гребня 9 водослива 2 h, причем одновременно соблюдаются неравенства: h<a+b<h,
макс
где h - величина расчетного максимального превышения уровня воды 13 над гребнем водослива.
макс
расч
уд
Эти условия соблюдаются, например, при следующих данных, метры: а=0,5; h=2,5; b=1,4; h=1,8.
Каждый противоледовый элемент 5 выполнен полым, его верховой торец выше водосливной поверхности 8 водослива 2 имеет вид откоса 14 и расположен на расстоянии от верховой грани 6. Такие противоледовые элементы 5 могут устанавливаться как до бетонирования гребня 10 водослива 2, так и после его бетонирования.
Работа водосброса осуществляется следующим образом.
c
уд
За 10-20 дней до наступления на реке 1 пика весеннего паводка начинается ледоход. Высокопрочный лед (прочность на сжатие R около 0,75 МПа и более) противоледовыми элементами 5 удерживается перед водосливом 2, а вода проходит между нижней поверхностью льда 11 и водосливной поверхностью 8 водослива 2, а также между отдельными льдинами. Пропуск льда 11 через такой водосброс начинает осуществляться обычно через 10-15 дней после начала на реке 1 ледохода, когда лед 11 подымится выше гребня 9 противоледового элемента 5. Это происходит после поднятия перед водосливом 2 воды до уровня 12, который превышает гребень 10 водослива 2 на заданную величину h и который не должен достигать расчетного максимального уровня воды 13 и, тем более, его превышать.
За время задержания перед водосливом 2 льда 11 его прочность снижается, уровень воды в бьефах гидроузла повышается, а в нижнем бьефе гидроузла участок реки 1 освобождается ото льда 11. Поэтому воздействия льда 11 на сооружения водосброса уменьшаются, а в нижнем бьефе обеспечивается прохождение льда 11 без интенсивного образования заторов.
В случае навала льда 11 на противоледовые элементы 5 лед 11 наползает на противоледовые элементы и дробится (фиг.6), за счет чего уменьшается статическое и динамическое воздействие льда 11 на сооружения водосброса.
Пример 2 (фиг.4). Отличие водосброса от вышеописанного в примере 1 водосброса заключается в том, что гребень 10 водослива 2 выполнен с обращенным в сторону верхнего бьефа уступом 15, а противоледовый элемент 5 представляет собой колено 16, верховая ветвь 17 которого находится в зацеплении с уступом 15. Этот уступ 15 выполнен на всей ширине водослива 2, а угол изгиба колена 16 образует гребень 9 противоледового элемента 5.
Особенность работы такого водосброса заключается в том, что, во-первых, вода начинает проходить подо льдом 11 на водослив 2 сразу, как только нижняя поверхность льда 11 поднимется до уступа 15 (раньше, чем в примере 1), во-вторых, лед при НПУ зимой образует припай с верховой ветвью 17 колена 16. Это обстоятельство при колебаниях уровня воды перед водосливом 2 обуславливает высокое силовое воздействие льда 11 на колено 16, что ограничивает высоту с уступа 15.
Пример 3 (фиг.5-7). На фиг.5 (фотография) показан вышеописанный водосброс-прототип существующей Енашиминской ГЭС. Предлагается при восстановлении водосливной поверхности 8, например путем нанесения защитного слоя 18, дополнительно установить противоледовые элементы 5, которые сваркой скрепить с существующими защитными (противоледовыми) элементами 19, выполненными из бывших в употреблении железнодорожных рельсов.
Особенностью такого водосброса является то, что он создается в процессе ремонта или реконструкции существующего водосброса и в нем в наиболее полном объеме достигается ранее указанный технический результат.
В настоящее время уровень воды перед водосбросом, при котором начинается сброс льда, обуславливается толщиной льда, а точнее высотой его подводной части. После выполнения противоледовых элементов этот уровень воды повысится на высоту противоледового элемента а. Целесообразность их выполнения устанавливается проектом путем сопоставления, достигаемого технического результата с издержками, которые заключаются в усложнении конструкции водосброса и в снижении его пропускной способности - обычно на 2-3%.
Обозначения
1 - река,
2 - водослив
3 - устой (боковая стенка),
4 - водобой,
5 - противоледовый элемент,
6 - верховая грань,
7 - анкера,
8 - водосливная поверхность,
9 - гребень (противоледового элемента),
10 - гребень (водослива),
11 - лед,
12 - уровень воды (при начале сброса льда),
13 - расчетный максимальный уровень воды (пик весеннего паводка),
14 - откос (противоледового элемента),
15 - уступ (гребня водослива),
16 - колено (вид противоледового элемента),
17 - верховая ветвь (колена),
18 - защитный слой,
19 - защитные элементы (существующие противоледовые).