СУДОХОДНЫЙ КАНАЛ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УЗЛА
SHIPPING CHANNEL OF THE HYDROPOWER UNIT

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к судоходным каналам, размещенным в составе гидроэнергетического узла и предназначенным для пропуска судов через напорный фронт гидроузла.
Недостатком существующих судоходных каналов гидроэнергетических узлов является колебания уровней в подходных каналах шлюзов со стороны нижнего бьефа, в результате чего происходит срыв расчетных глубин на нижней голове шлюза. Колебанию уровня в каналах также способствует и наблюдаемое в последнее время повышение контрастности климатических явлений, сказывающихся на количестве выпадающих осадков в паводковый и засушливый периоды.
Одним из вариантов уменьшения последствий указанных явлений в судопропускных каналах может быть оснащение гидроузлов регуляционными водохранилищами, аккумулирующими воду в паводковый период и перераспределяющими аккумулированный объем воды через систему водоподводящих каналов в засушливый период.
Известны судоходные каналы, (пат. РФ №33130, МПК E02B 5/04, опубл. 10.10.2003 г; пат. РФ № 2365704, МПК E02B 5/04, опубл. 27.08.2008) включающие систему шлюзов и водохранилищ транспортного назначения, а также систему водоподводящих каналов, обеспечивающих водоснабжение шлюзов во время шлюзования судов. Известные устройства позволяют аккумулировать воду из речного бассейна, расположенного вне трассы судоходного канала, в регуляционном водохранилище в паводковый период в количестве, достаточном для годового шлюзования, транспортировать воду в течение всего годового судоходного периода из регуляционного водохранилища через систему водоподводящих каналов в судоходный канал, и перераспределять аккумулированный объем воды в течение всего годового судоходного периода.
Недостатками аналогов являются ограниченные возможности по регулированию паводковой ситуации.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения может быть принят судоходный канал Нижегородской ГЭС, расположенной в среднем течении реки Волги, вблизи города Городец (https://ru.wikipedia.org). Сооружения Городецкого гидроузла включают в себя: водосливную плотину, здание ГЭС и судопропускные сооружения в состав которых входят: судоходный шлюз, ограниченный воротами, установленными в верхней и нижней головах шлюза, и подходными каналами, сопряженными с верхним и нижним бьефами гидроузла.
Недостатком Городецкого гидроузла являются колебания уровня воды в низовом подходном канале, в результате чего происходит срыв расчетных глубин на нижней голове шлюза. В существующих гидроузлах проблему, связанную с колебаниями уровня воды в судоходных каналах, решают путем строительства дополнительных камер с дноуглублением русла реки на проблемном участке, за счет чего повышают уровень воды в камерах шлюзов и соответственно в судоходных артериях. Однако такое решение потребует значительных материальных и временных затрат, связанных со строительством дополнительной камеры и проведением дноуглубительных работ, кроме того на период строительства потребуется перекрытие пропуска судов через шлюз гидроузла.
По сравнению с прототипом предлагаемый судоходный канал гидроэнергетического узла позволит решить задачу устранения влияния колебаний уровня воды в низовом подходном канале на глубину в нижней голове шлюза при экономии материальных и временных расходов.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в судоходном канале гидроэнергетического узла, включающего плотину с размещенным на ней зданием ГЭС и водосливом, содержащем, как и прототип, камеру шлюза, ограниченную воротами, установленными в верхней и нижней головах шлюза, и верховой и низовой подходные каналы, соединенные с верхним и нижним бьефами гидроэнергетического узла, в отличие от прототипа, в низовом подходном канале на расстоянии от нижних ворот шлюза не меньшем 1,5 расчетной длины крупнотоннажного судна сооружена низконапорная дамба с судопропускными отверстиями, перекрытыми затворами, при этом образованный между дамбой и нижними воротами шлюза бассейн имеет глубину равную 1,2-1,5 величины осадки крупнотоннажного судна, а высота дамбы соответствует глубине бассейна с учетом величины колебаний уровня в низовом подходном канале.
Сущность изобретения заключается в устранении влияния колебаний уровня воды в низовом подходном канале судоходного канала гидроэнергетического узла на уровень воды в нижней голове шлюза судоходного канала, в результате чего создаются условия беспрепятственного прохождения судов по каналу в обоих направлениях. Указанный технический результат достигается за счет того, что в низовом подходном канале в сопряжении с нижней головой шлюза выполнен бассейн, ограждаемый от нижнего бьефа низконапорной дамбой с судо-водопропускными отверстиями, перекрываемыми затворами. При этом бассейн заполняется водой при опорожнении камеры шлюза, создавая необходимую глубину для выхода судов из шлюза в бассейн, и опорожняется до уровня нижнего бьефа, обеспечивая выход из бассейна в нижний бьеф. Преимуществом сооружаемого бассейна по сравнению с созданием дополнительной камеры является экономия в материальных и временных затратах: если при организации бассейна требуется проведение дноуглубительных работ в низовом канале и сооружение грунтовой дамбы, то для строительства камеры шлюза необходимо помимо дноуглубительных работ, проведение бетонных работ по строительству собственно камеры, а также по устройству в днищах или стенах голов шлюза систем наполнения и опорожнения. Кроме того, строительство дополнительной камеры потребует перекрытия судоходства на достаточно длительный период времени, значительно превосходящий время, затраченное на создание бассейна.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача – устранение влияния колебаний уровня воды в низовом подходном канале на глубину в нижней голове шлюза при экономии материальных и временных расходов решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области гидротехнических сооружений не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии сооружения критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где
на фиг.1 – представлено схематическое изображение гидроэнергетического узла с судоходным каналом,
на фиг.2 – изображен судоходный канал в плане,
на фиг.3 – судоходный канал в продольном разрезе.
Гидроэнергетический узел (фиг.1) представляет собой плотину 1 со зданием гидроэлектростанции 2 и водосливом 3. В стороне от ГЭС 2 располагаются судоходный шлюз 4, верховой подходной канал 5, низовой подходной канал 6 и бассейн 7. Судоходный шлюз 4 (фиг. 1-3) включает камеру с верхней головой с воротами 8 и нижней головой с воротами 9. Бассейн 7 с причалом для судов примыкает к нижней голове 9 и ограждается от низового канала 6 дамбой с затворами 10, перекрывающими судопропускные отверстия.
Предлагаемая система работает следующим образом.
При высоком уровне воды в низовом подходном канале 6 в бассейне 7 удерживается уровень воды канала 6. Затворы 10 открыты. Судно беспрепятственно проходит через судопропускные отверстия в нижний бьеф.
При понижении уровня в канале 6 затворы 10 перекрываются. Уровень воды в бассейне 7 заполняется до уровня воды в нижнем бьефе до его падения. Ворота 9 открываются, пропуская судно из шлюза 4 в бассейн 7. После захода судна в бассейн 7, ворота 9 закрываются и открываются затворы 10. Уровень воды в бассейне 7 выравнивается до уровня нижнего бьефа. Судно выходит в низовой подходной канал 6. Заполнение бассейна 7 производится при опорожнении шлюза 4, после чего цикл пропуска судов по схеме «бассейн-камера шлюза» повторяется. Если объем призмы слива шлюза больше чем емкость бассейна, излишки воды переливаются через затвор 10 в нижний бьеф.
Изобретение было создано специалистами кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в ходе научно-исследовательских работ. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования предлагаемого изобретения для поднятия уровня судоходного канала на Городецком гидроузле.
Для реализации заявляемого технического решения предполагается выполнение следующих мероприятий:
- проведение дноуглубительных работ на всю ширину низового канала до отметки 61,6 м БС;
3
- строительство грунтовой дамбы, перекрывающей низовой подходной канал гидроузла на расстоянии 640 м от нижних ворот шлюзов 6 и имеющей длину 45 м, ширину гребня 6,0 м, откос 1:2,5. Дамба закрепляется по схеме «иглопробивной геотекстиль – георешетка – камень». Объем песочной насыпи составляет 5130 м;
- устройство в дамбе одного или двух водо-судопропускных отверстий, перекрываемых затворами. Водо-судопропускное сооружение представляет собой доковую конструкцию, в которой размещается затвор, состоящий из 2-х секторов. Привод поворота затвора – гидравлический. Возможно применение механического (зубчато-реечного) привода. Аналогичные затворы-ворота используются на шлюзах в Финляндии, США, Германии.
Также для открытия-закрытия судоходного отверстия допускается применение дельтаобразных поворотных или откатных затворов, которые эффективно перекрывают даже текущий поток (Пермские шлюзы).
Затворы могут быть также выполнены в виде замкнутых оболочек из эластичного водо- и воздухонепроницаемого материала, закрепленных в судопропускных отверстиях дамбы перпендикулярно продольной оси канала, с возможностью заполнения оболочек воздухом или водой.
Использование предлагаемой схемы позволит отказаться от сложной конструкции дополнительной камеры шлюза, при этом организация работ по строительству бассейна исключит остановку шлюзования в период строительных работ. Грунтовая низконапорная дамба сформирует в канале участок, на котором в процессе пропуска судов будет поддерживаться уровень, обеспечивающий глубину 4,0 м на пороге существующих шлюзов, что позволяет проходить судам с осадкой 3,6 м.
Фактически формируемый в нижнем подходном канале бассейн 7 выполнит роль дополнительной камеры, но потребует меньших затрат по сравнению с ее строительством. Предлагаемое изобретение обеспечит пропуск судов с осадкой 3,6 м не только по существующему шлюзу, но и по бассейну, что увеличит пропускную способность гидроузла в 2 раза в условиях пониженных уровней в нижнем подходном канале.
Технология пропуска судов по каналу следующая: при движении снизу-вверх суда с осадкой 3,6 м заходят в бассейн 7, швартуются у причальной стенки и ожидают сброса призмы слива из камеры шлюза 4. При сливе одной призмы уровень в бассейне поднимется на 1,5 м. Когда уровень в бассейне 7 будет равен уровню в камере 4 шлюза, суда пройдут в нее. При проходе сверху вниз суда ожидают у стенки камеры поднятия уровня в бассейне 7. Суда с меньшей осадкой при отсутствии других судов шлюзуются по обычной схеме, при этом для шлюзования в существующем шлюзе суда выполняют маневр для прохождения в открытое судопропускное отверстие.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».