К вопросу обеспечения гидравлической безопасности водосбросных и водопропускных сооружений

ГИДРОДИНАМИКА И ГИДРОТЕХНИКА

УДК 627.83

К ВОПРОСУ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОСБРОСНЫХ И ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

© 2004 г. В.Л. Бондаренко, Е.Н. Белоконев

В условиях обитания человека в техносфере для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности важно знать, какой уровень опасности составляет тот или иной техногенный компонент. При решении водохозяйственных задач исходят из бассейнового принципа управления количественными и качественными показателями водных ресурсов, которые формируются на водосбросной территории данного бассейна. Регулируют и перераспределяют поверхностный сток путем строительства водохранилищ-ных гидроузлов, являющихся техногенными источниками опасности в рамках бассейновой геосистемы. Обеспечение необходимого уровня безопасности в зоне действия водоподпорного гидротехнического сооружения (ВГТС) в настоящее время выступает актуальной проблемой в научном и практическом отношениях.

Безопасность ВГТС подразделяется на гидрологическую, гидравлическую, конструктивную, фильтрационную и руслоформирующую.

Анализ отечественного и зарубежного опыта экс-

плуатации ВГТС показывает, что более 30 % аварийных ситуаций с последующим разрушением напорного фронта гидроузлов обусловлен низким уровнем гидравлической безопасности водосбросных сооружений.

Гидравлическая безопасность характеризуется свойством водосбросного сооружения обеспечивать пропуск расчетных расходов воды из верхнего бьефа в нижний без возникновения опасных явлений в зоне действия ВГТС и на самом сооружении.

В данной работе рассматриваются основные вопросы гидравлической безопасности сооружений гидроузлов на примере Юмагузинского гидроузла на р. Белой в Республике Башкортостан.

Для открытого типа гидросооружения, каким является паводковый береговой водосброс (рис. 1), конструктивные решения водопроводящей (транзитной) части (уклон дна быстротока, геометрические размеры поперечного сечения лотка, скорости потока и др.) принимаются в зависимости от топографических условий и от удельных пропускаемых расходов воды.

Рис. 1. Паводковый водосброс Юмагузинского гидроузла на реке Белой: 1 - паводковый канал; 2 - входная часть; 3 - водопроводящая часть; 4 - водобойный колодец; 5 - рисберма; 6 - отводящее русло

Рис. 2. Донный тоннельный водовыпуск-водосброс Юмагузинского гидроузла на р. Белой: 1-подводящий канал; 2 - входная часть (оголовок); 3 - водопроводящая часть (туннель); 4 - выходная часть (оголовок); 5 - водобойный колодец; 6 - рисберма; 7 - отводящее русло

Для закрытого типа водосбросных, водоспускных и водовыпускных сооружений, каким является водо-выпуск - водосброс тоннельного типа (рис. 2), водопроводящая часть сооружения при колебании уровней воды в верхнем бьефе может работать в различных гидравлических режимах: напорном, переходном, частично-напорном и безнапорном. Наиболее надежным с точки зрения безопасной в гидравлическом и прочностном отношении является напорный режим (минимальные вакуумные явления и пульсации, наибольшая пропускная способность). При значительных колебаниях уровней воды в верхнем бьефе и отсутствии подтопления выходной части со стороны нижнего бьефа могут иметь место переходной или частично-напорный гидравлические режимы, при которых появляются вакуумные локальные зоны, приводящие к кавитации; периодически образующиеся гидравлический прыжок в тоннеле перемещается или вниз к нижнему бьефу или вверх; при этом снижается пропускная способность, изменяясь во времени; резко возрастают пульсации гидродинамического давления и др.; уменьшается уровень гидравлической безопасности [1].

В концевой части водосбросных и водоспускных сооружений проектируют различные конструктивные устройства для гашения избыточной кинетической энергии потока (водобойные колодцы и стенки, шашки, пирсы, расщепители, зубчатые пороги и др.), выходящего из водопроводящей части, и сопряжения его с руслом (отводящим каналом).

Для ВГТС, в состав напорного фронта которых входит плотина из грунтовых материалов, гидравли-

ческая безопасность имеет особую актуальность, так как при переполнении чаши водохранилища возникает опасность перелива воды через гребень плотины. Это явление сопровождается разрушением тела плотины, появлением разрушительной волны прорыва и затоплением значительных территорий в нижнем бьефе, большими людскими жертвами и материальным ущербом. Поэтому одним из основных показателей гидравлической безопасности ВГТС является пропускная способность водосбросных, водоспусных и водовыпусных гидротехнических сооружений заданной обеспеченности, которая определяется классом капитальности гидроузла.

Анализ аварийных ситуаций ВГТС с плотинами из грунтовых материалов, связанных с пропуском максимальных и катастрофических расходов через водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, позволяет идентифицировать опасные явления, вызывающие аварийные и чрезвычайные ситуации (ЧС) [3]:

- пропуск катастрофических расходов, превышающих расчетные;

- отказ гидромеханического оборудования, связанного с управлением затворами;

- перебои в подаче электроэнергии на механическое оборудование управления и на обогрев затворов;

- снижение пропускной способности на входной и транзитной (водопроводящей) частях рассматриваемых сооружений (скопление мусора, наносов, плавающих предметов, льда, шуги, образование локальных вакуумных зон, обрушение берегов перед сооружениями и др.); ошибки на стадии проектирования

(необоснованное завышение пропускной способности гидротехнических сооружений, неточные гидрологические расчеты водотоков, поверхностный подход к назначению конструкций гасительных устройств в нижнем бьефе сооружений и др.);

- ошибки на стадии эксплуатации ВГТС (недостаточная квалификация технического персонала, отсутствие планово-предупредительных мероприятий и др.);

- ошибки при выборе масштаба модельных установок и установлении граничных условий достоверности проведенных экспериментов.

Гидравлическая безопасность гидротехнических сооружений может быть не обеспечена по следующим причинам:

- разрушение водопроводящих трактов (транзитной части) вследствие значительных удельных расходов (более 40 м2/с), повышенных гидрологических воздействий, кавитационной и абразивной эрозии;

- неэффективность работы гасительных устройств и сопряжения потока в нижнем бьефе вследствие сбойных явлений на водоотводящем тракте и повышенными (нерасчетными) расходами, скоростями и др., приводящими к деформациям, разрушению рисбермы и к опасным явлениям, связанными с размывами в нижнем бьефе и переформированием русла за водопропускными и водосбросными сооружениями;

- понижение расчетных (бытовых) уровней воды в отводящем русле вследствие его деформации, хозяйственной деятельности и других нештатных ситуаций.

Так как Юмагузинский гидроузел относится к первому классу сооружений, то для обеспечения гидравлической безопасности водопропускных сооружений напорного фронта, подтверждения, уточнения или изменения проектных решений на стадии технико-экономического обоснования (ТЭО) были проведены лабораторные гидравлические исследования берегового паводкового водосброса-быстротока и тоннельного водовыпуска-водосброса в масштабе 1:50 натуральной величины в лаборатории гидротехнических сооружений Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА).

Общеизвестно, что гидравлическая безопасность рассматриваемых сооружений в значительной степени определяется отсутствием или сведением к минимуму опасных явлений при пропуске максимальных расходов. Рассмотрим основные вопросы повышения гидравлической безопасности каждого из исследуемых сооружений.

Береговой паводковый водосброс

Одной из главных причин, вызывающих переполнение водохранилища, является снижение пропускной способности на входном участке паводковых сооружений, вызванное отказом механического оборудования по управлению затворами. Поэтому для обеспечения гидравлической безопасности сооружений на данном участке целесообразно на стадии проектирования предусматривать комбинированный вариант входного оголовка. Этот вариант предполагает проектирование части пролетов с управляемыми затворами,

а части пролетов без затворов, работающих в автоматическом режиме [4]. Наличие подводящего к сооружению канала криволинейного очертания в плане приводит к неравномерному распределению удельных расходов по ширине этого канала и, соответственно, перед входными отверстиями водосброса. Неравномерность распределения удельных расходов на входе приводит к сбойным явлениям в водопроводящей части вплоть по рисбермы. Для уменьшения негативных явлений радиус закругления подводящего канала должен быть не менее пятикратной ширины воды по урезу в этом канале.

На водопроводящей части паводкового водосброса - быстротока - основным гидравлическим параметром является удельный расход (отношение расхода к ширине лотка). При пропуске расчетного расхода 2000 м3/с удельный расход при ширине лотка 33 м составлял 60,6 м2/с, что значительно превышает безопасные значения. Поэтому нами было рекомендовано увеличить количество пролетов на входе до четырех и принять ширину лотка водопроводящей части не менее 44 м. В этом случае удельный расход составит 45,5 м2/с. Эти рекомендации учтены на стадии технического проекта.

Исследование очертания продольного профиля лотка водопроводящей части позволили сделать заключение о том, что при проектировании лотка с одним уклоном скорости потока достигают критического значения 20 м/с с точки зрения появления кавита-ционных явлений уже на первой трети его длины, что может потребовать устройства искусственной шероховатости на дне на всем протяжении лотка. К тому же в случае неравномерного (несимметричного) открытия затворов возникают в лотке значительные сбойные течения, ухудшающие условия сопряжения потока в нижнем бьефе и приводящие к резкому снижению гидравлической безопасности.

В процессе исследований рассматривался вариант продольного профиля дна лотка водопроводящей части с обратными уклонами, позволяющими значительно уменьшить объем земляных (скальных) работ и снизить до минимума сбойные явления при нессим-метричном открытии затворов части, уменьшить скорости в придонной области и предусмотреть искусственную шероховатость только на последнем участке лотка с уклоном 0,25.

Искусственная шероховатость способствует уменьшению скоростей потока на входе в водобойный колодец на 40 % и соответственно повышению уровня гидравлической безопасности в сопрягающей части сооружения. Рекомендуемый вариант продольного профиля водопроводящей части приведен на рис. 1.

Гидравлическая безопасность сопрягающей части паводкового водосброса определяется показателем эффективности гашения избыточной кинематической энергии потока при расчетном вплоть до катастрофического расхода. В процессе лабораторных исследований оценку гидравлической безопасности сопрягающей части сооружения, включающей в себя водобойный расширяющийся в плане колодец и рисберму,

необходимо осуществлять фотографированием, видеосъемкой, замером параметров гидравлического прыжка, измерением на рисберме (за водобойным колодцем) скоростной структуры потока, придонных осредненных и максимальных скоростей, интенсивности турбулентности, гидродинамического давления на плиты крепления, прогнозированием ямы размыва за сооружением и переформирования отводящего русла при различных пропускаемых расходах и глубинах воды в отводящем русле.

В результате исследований было установлено, что запроектированные размеры водобойного колодца позволяют производить эффективное гашение избыточной энергии потока даже при катастрофических расходах (больших 2000 м3/с), когда уровень воды в водохранилище достигает гребня плотины (недопустимый для грунтовой плотины режим ее работы).

Донный тоннельный водовыпуск-водосброс

Основным показателем гидравлической безопасности донного тоннельного водовыпуска - водосброса, служащего для пропуска строительных расходов, паводковых вод, бытовых расходов в нижний бьеф (вниз по течению реки Белой), с попутной подачей воды на приплотинную ГЭС, также является пропускная способность при различных режимах сработки водохранилища.

В процессе гидравлических исследований были выявлены опасные явления. К ним относятся появление вакуума при неполном открытии ремонтных затворов во входном оголовке (башне) и работа водо-проводящей части (тоннеля), в частично-напорном и переходном гидравлических режимах. При этих режимах работы тоннеля, как отмечено выше, отмечаются резкие колебания уровней воды на входе в сооружение. На пропускную способность входного оголовка также оказывают влияние конструктивные решения: очертание бычков, пазов затворов, сороудер-живающих решеток и др.

Основным расчетным гидравлически безопасным является напорный режим как более устойчивый, при котором отмечается наибольшая пропускная способность тоннеля. Этот режим имеет место в процессе эксплуатации, когда водохранилище заполнено до отметки НПУ и выше. Неблагоприятные гидравлические режимы отмечаются в период заполнения водохранилища или при его опорожнении.

Исследования условий сопряжения потока в нижнем бьефе за выходным оголовком привели к необходимости замены порога перед водобойным колодцем на пандус. В расчетном режиме работы водовыпуска при пропуске расходов 1000 м3/с вплоть до катастрофического 1360 м3/с (когда уровень воды в водохранилище достигает гребня плотины) отмечается удовлетворительная работа водобойного колодца (без выхода гидравлического прыжка на рисберму).

Водопроводящая часть (тоннель) имеет криволинейное очертание в плане, что оказывает негативное влияние на скоростную структуру потока на концевом участке тоннеля и, в частности, на удельные расходы

по ширине отверстий выходного оголовка, на появление сбойных явлений (горизонтальных вальцов) в водобойном расширяющемся в плане колодце. Односторонний забор из вогнутой части тоннеля воды для приплотинной ГЭС также усиливает негативные явления от криволинейного очертания тоннеля в плане. Для сведения к минимуму отмеченных отрицательных явлений нами была предложена разделительная вертикальная стенка как продолжение бычка.

Рекомендуемая на стадии ТЭО конструкция нижнего бьефа донного тоннельного водовыпуска - водосброса с пандусом, разделительной и водобойной стенками, водобойным колодцем показана на рис. 3.

т = 1.5

Рис. 3. Конструкция нижнего бьефа донного тоннельного водовыпуска - водосброса пандусом, разделительной и водобойной стенками, водобойным колодцем на стадии ТЭО: 1 - пазы; 2 - выходной оголовок; 3 - пандус; 4 - разделительная стенка; 5 - водобойный колодец; 6 - водобойная стенка;

7 - рисберма

На стадии технического проекта запроектирована конструкция нижнего бьефа (рис. 4), которая существенно отличается от рекомендованной нами. Эта конструкция принята на основе фрагментальных гидравлических исследований в других организациях. Фраг-ментальные исследования не позволили, по нашему мнению, учесть влияния радиуса закругления тоннеля в плане и отвода воды из вогнутой его части на при-плотинную ГЭС на скоростную структуру потока в нижнем бьефе, на снижение сбойных явлений, а следовательно, на обеспечение гидравлической безопасности гидроузла в целом. 1

208,5 209,5

У1>;

1

Й 208,0 } ^ 3 /204,5 '

.„Л ^Л'ПГ

Рис. 4. Продольный разрез конструкции нижнего бьефа донного тоннельного водовыпуска - водосброса на стадии технического проекта: 1 - выходной оголовок; 2 - уступ; 3 - водобойный колодец; 4 - водобойная стенка; 5 - рисберма

Отказ на заключительном этапе исследований и проектирования от разделительной вертикальной стенки и пандуса, устройство посередине длины водобойного колодца дополнительной водобойной стенки (см. рис. 4) высотой ниже на 1 м дна рисбермы приведут к ухудшению условий сопряжения потока в нижнем бьефе непосредственно за створом гидроузла и к увеличению русловых деформаций вниз по течению реки Белой.

Посещение строительства Юмагузинского гидроузла в 2002 г. позволило сделать фото основных объектов в период возведения. Водобойный колодец с новым конструктивным решением узла построен.

Проведенные в 2003 г. дополнительные гидравлические исследования в НГМА донного тоннельного водовыпуска - водосброса с новой конструкцией нижнего бьефа (см. рис. 4) подтвердили наши опасения по ухудшению гидравлической безопасности концевого участка водовыпуска. При этой конструкции нижнего бьефа образование совершенного гидравлического прыжка (вертикального вальца) как наиболее эффективного и надежного гасителя избыточной кинетической энергии маловероятно, так как не обеспе-

чиваются соответствующие гидравлические условия, показателями которых являются: первая и вторая сопряженные глубины, длина прыжка и др. На действующей модели были зафиксированы: подобие несовершенного гидравлического прыжка, значительное взбугривание потока над водобойной стенкой в колодце, всплески, большие пульсации потока, застойная зона воды между водобойной стенкой и концевой частью водобойного колодца (эта часть колодца в гашении энергии практически не участвует). Поток проскакивает этот участок, попадая на рисберму со значительными скоростями, пульсацией и сбойными явлениями.

Выходя на рисберму, водный поток будет отклоняться в сторону берегового паводкового водосброса, деформируя русло реки Белая, которое представлено аллювиальными отложениями.

На основе анализа результатов гидравлических исследований водопропускных, водоспускных и водовыпускных гидротехнических сооружений гидроузлов были обобщены основные оценочные положения по обеспечению гидравлической безопасности сооружений в форме блок-схемы (рис. 5).

Гидравлическая безопасность водопропускных сооружений

Рис. 5. Блок-схема изучения гидравлической безопасности водопропускных сооружений

Выводы

1. При оценке риска аварийных ситуаций на ВГТС гидравлическая безопасность водосбросных, водоспускных и водовыпускных сооружений является одним из главных показателей.

2. Гидравлическая безопасность сооружений напорного фронта гидроузла определяется пропускной способностью, гидравлическими режимами, сопряжением бьефов.

3. При оценке уровня гидравлической безопасности сооружений напорного фронта необходимо учитывать особенности работы конструктивных элементов (подводящего канала, входного оголовка, транзитной и сопрягающей частей, отводящего канала) при пропуске расходов от минимальных до катастрофических.

4. Для повышения уровня гидравлической безопасности ВГТС рекомендуется предусматривать на водосбросных сооружениях открытого типа на входном оголовке дополнительные пролеты, работающие в автоматическом режиме.

5. Удельные расходы в водопроводящей (транзисторной) части паводковых открытых водосбросов не должны превышать 40 м2/с.

6. Гидравлическая безопасность гидротехнических сооружений в значительной степени определяется еще на стадии лабораторных гидравлических исследований при правильном выборе масштаба и конструктивного решения модели, с аргументированными выводами и рекомендациями.

Литература

1. Розанов Н.П. Вопросы проектирования водопропускных сооружений, работающих в условиях вакуума и при больших скоростях потока. М.; Л., 1959.

2. Бурков А.Ф. и др. Гидравлические расчеты туннельных и трубчатых водосбросов гидроузлов / Под ред. Ф.Г. Гунь-ко. Л., 1974.

3. Бобков С.Ф. и др. Основные факторы учета пропускной

способности гидроузлов при декларировании их безопасности // Гидротехническое строительство. 1999. № 4.

4. Beelbachir K., Lafitte R. Evacuateur de erue du barrage AL IBTISSAM (Alg е rie) // Troizi е me Congr е s des Grands Barrages. New Delhi, 1979.

26 июня 2003 г.

Новочеркасская государственная мелиоративная академия

УДК 532

ОДНОМЕРНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ РУСЛОВЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ СЛУЧАЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ВОЛН

© 2004 г. Ю.Г. Иваненко, Г.Л. Лобанов, С.В. Синерукий

Исследование движения взвесенесущего потока в общем случае предполагает использование закона сохранения вещества и закона изменения импульса для потока смеси-дисперсоида [1]. Поскольку естественные водотоки характеризуются относительно малыми количествами транспортируемой твердой взвеси, то можно предполагать, что для них уравнение движения смеси практически не будет отличаться от уравнений движения чистой жидкости [2]. В этом случае закон сохранения вещества записывается отдельно для жидкости в виде уравнения неразрывности и для твердой взвеси в виде уравнения деформации. Уравнение деформации может быть получено при рассмотрении баланса твердого расхода наносов, обусловленного процессами взвешивания или осаждения твердых частиц взвеси.

Таким образом, для случая одномерного течения воды в размываемых руслах система дифференциальных уравнений динамики русловых процессов может быть представлена в виде:

dQ „ dQ 2 dm dy Q2 A /14 — + 2u — - u — + gm — + g—— = 0; (1) dt dx dx dx m C2 H

& + ^ = 0; (2) дx дt

^ +

дx дt

Здесь x - продольная координата; t - время; у -высота свободной поверхности воды; г - высота дна водотока; Q - расход воды; ю - площадь поперечного сечения потока; В - ширина водотока по верху; Н -средняя глубина воды водотока; и - средняя скорость течения воды; Сш - коэффициент Шези; О - средняя весовая концентрация транспортируемых руслофор-мирующих наносов; е - коэффициент пористости донных отложений; у1 - удельный вес транспортируемых твердых частиц наносов; g - ускорение силы тяжести.