Возведение гидроузлов на реках с учетом пропуска строительных расходов и наполнения водохранилища. Вероятностный расчет сроков наполнения водохранилища

Водохранилища с фиксированным уровнем в бьефе. Способы поддержания фиксированного уровня. Расчет водохранилища и системы сброса воды. Водосбросы с автоматическим затвором, сифонные водосбросы.

В некоторых случаях требуется автоматически поддерживать уровень воды в верхнем бьефе:

- на реках с быстро наступающими паводками;

- на деривационных ГЭС для недопущения подъема воды в напорном бассейне выше НПУ;

- в каскаде малых ГЭС для транзитного пропуска расчетного расхода воды ниже данной ГЭС при ее остановке;

- при повышении уровня в водохранилищах многолетнего регулирования при пропусках паводков редкой повторяемости (резервный водосброс).

Способы поддержания фиксированного уровня в бьефе:

- паводковые водосбросы с отметкой гребня на уровне НПУ;

- сифонные водосбросы;

- водосбросы с автоматическими затворами;

- резервные водосбросы «предохранительные пробки» (дамбы из размываемых грунтов).

Отметки уровня воды (НПУ, УМО, ФПУ) в Российской Федерации фиксируется согласно «Правилам использования водных ресурсов водохранилищ, которые должны быть разработаны в соответствии с Водным Кодексом, и утверждаются уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти. В Правилах определяется режим использования водохранилищ, в том числе режим наполнения и сработки. Установление режимов пропуска паводков, специальных попусков, наполнения и сработки водохранилищ осуществляется уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти.

Расчет водохранилища и системы сброса воды

Эксплуатационное наполнение водохранилищ сезонного регулирования производится до отметки НПУ, сработка проходит до УМО. Водохранилища многолетнего регулирования наполняются до НПУ и в наиболее многоводные годы до НПУ и срабатываются до УМО при наступлении нескольких многоводных лет подряд. Процессы наполнения-сработки должны обеспечить наивыгоднейший режим регулирования стока реки. Чрезвычайное наполнение водохранилища происходит при пропуске половодий и паводков редкой повторяемости. В процессе трансформации таких паводков и половодий допускается повышение уровня водохранилища до ФПУ.

Расчет водохранилища проводится следующим образом.

1. Выбирается расчетный створ.

2. Определяется возможный диапазон НПУ.

3. Назначается УМО.

4. Определяется полный и полезный объемы (с учетом водопотребления и потерь).

5. Определяется вид регулирования стока (сезонное, многолетнее).

6. Ведется расчет регулирования с учетом трансформации паводков.

7. Объем водохранилища должен обеспечить аккумуляцию и пропуск расхода основного расчетного случая (в соответствии со СНиП 33-01-2003 ГТС Осн.положения).

Трансформация паводков

Рис.16.1. Схема расчета пропуска паводков (по Д.И.Кочерину) при треугольной форме гидрографа

При приближенных расчетах регулирования паводкового стока применяют упрощенный прием, введенный в практику Д.И.Кочериным. Он основа на том, расчетный гидрограф представляется в форме треугольников или трапеций. Схематизированный гидрограф притока представлен в виде треугольника на рис.16.1.

Предположим:

- повышенный расход воды используется для выработки энергии и водопотребления;

- наполнение и сброс воды начинается, когда расход притока равен максимально используемому расходу (1)

- по мере наполнения расход увеличивается до пика в точке (3)

W _х= W - W _и- V _тр

Объем половодья W измеряется площадью всего треугольника;

W _и – используемый объем воды (трапеция);

V _тр – объем водохранилища, необходимый для трансформации.

Максимальная величина трансформированного расхода Q _тр= Q _х+ Q _и.

решая задачу в отношении максимального сбросного расхода получим

Для пропуска воды из водохранилища могут применяться следующие водопропускные сооружения:

Рис.16.2. Схема водопропускных отверстий

1 – паводковый водосброс без затворов с порогом на уровне НПУ; 2 – водослив с затвором;

3 – поверхностное глубокое отверстие с затвором; 4 – глубинное отверстие; 5- донное отверстие; 6- туннель; 7- береговой водосброс.

Число и размеры водопропускных сооружений определяются исходя из условий пропуска основного расчетного случая.

Паводковые водосбросы для увеличения пропускной способности устраивают с увеличенным напорным фронтом – полигональные, закругленные; скошенные.

Резервные водосбросы «предохранительные пробки»

Крупные гидроузлы с глухими пло­тинами из грунтовых материалов обычно имеют водосбросы большой пропускной способностью. Стоимость таких сооружений весьма высока, и при этом может оказаться, что за весь период существования гидроузла водо­сброс ни разу не будет работать на полную мощность. В связи с этим час­то предусматривают несколько водо­сбросов: один основной, который будет работать достаточно часто, и один или два резервных, которые будут рабо­тать редко или вообще не будут рабо­тать за весь период существования гидроузла. Резервные водосбросы стремятся делать простыми и дешевы­ми.

Резервный водосброс может быть выполнен в виде камен­ной дамбы с гребнем, располагающим­ся на отметке близкой к ФПУ. Сбрасы­ваемый через этот водосброс расход поступает в реку по оврагу ниже створа гидроузла. Применение такого технического решения позволяет снизить стоимость водосброс­ных сооружений.

Водосбросы с автоматическими затворами

1. сегментные затворы с противовесом.

2. секторные поплавковые

3. клапанные уравновешивающие затворы

1. Сегментные затворы передают давление воды на быки и устои, совершая вращательное движение.

Для автоматического действия затвор снабжается противовесом, располагаемым на про­должении опорных ног за шарниром, в виде груза, чем до минимума снижает­ся требуемое подъемное усилие, которое реали­зуется при давле­нии воды на особые кла­паны или поплавки. Так, в системе, показанной на рисунке противовес затвора связан тягами аб с клапаном Об, вращаю­щимся вокруг оси О в особых шахтах быков; при повышении горизонта во­ды верхнего бьефа сверх НПГ вода из верхнего бьефа поступает по тру­бам на клапан Об и за­ставляет его опускаться, а затвор открываться; по установлении нормального подпорного горизонта поступление воды прекращается, вода из шахты уходит в нижний бьеф, что заставляет затвор опускаться и закрывать отверстие.

Рис.16.3. Автоматический сегментный затвор

Пролеты перекрываемых этими за­творами отверстий достигают 36 мпри высоте
5÷7 м, наибольшая высота осуществленного затвора—10 м при пролете 12 м.

Секторными называются затворы, имеющие поперечное сечение в виде сектора. Затворы, имеющие обшивку со всех сторон, назы­ваются поплавковыми, так как находящийся внутри их воздух сообщает им плавучесть. Они закрепляются на пороге плотины на горизонтальной оси, вращаясь вокруг которой могут частично и полностью опускаться в специальную нишу.

Ось вращения затвора находится или с низовой стороны его или с верховой.

Затвор находится в равновесии и может быть выведен из него в новое положение благодаря давлению воды, заполняющей нишу в пороге плотины, называемую камерой давления. Давление воды в этой камере может изменяться от величины, соответствующей уровню ВБ до соответствующей УНБ или до 0, что позволяет устанавливать затвор в желательном положении.

Затворы с низовой осью вращения

Рис.16.4. Схема силовых воздействий на секторный поплавковый затвор

В случае перелива во­ды через затвор часть воды из камеры давления выпускается, и затвор меняет положение.

Подъем затвора из низшего положения осуществляется пуском воды из верхнего бьефа в камеру давления.

Затворы с верховой осью вращения

Такие затворы распространены в США и называются драм-гейт (барабанные).

Рис.16.5. Схема силовых воздействий на секторный поплавковый затвор с верховой осью вращения

Клапанные уравновешенные затворы (автоматически действующие)

Клапанный затвор представляет собой плоский щит, вращающийся вокруг горизонтальной оси, укрепленной на пороге плотины и удерживаемый в поднятом состоянии или подкосом или давлением воды на уравновешивающие затвор его части. Затвор передает давление на порог плотины.

Затворы, уравновешенные гидравлически. В этих затворах, представляющих клапаны, вращающиеся на горизонтальной оси, помещенной примерно в середине затвора, напор поддерживается верхней частью затвора, нижняя же находится в особой нише порога плотины (камера давления), отделенной от воды верхнего и нижнего бьефов плитой. При подъеме горизонта воды верхнего бьефа вода поступает в сифон (в устое), откуда через особую галерею в камеру давления и затвор наклоняется для пропуска увеличивающегося расхода воды. При уменьшении затвора и установлении нормального уровня ВБ истечение через сифон прекращается, затвор закрывается. Эти затворы имеют пролеты 7-10 м при высоте 5-6 м, пригодны для пропуска паводков на небольших реках с малым количеством наносов.

Затворы, уравновешенные снизу противовесами. имеют шарнир в нижней своей части, укрепленный на пороге плотины, верхняя часть затвора шарнирно соединена со штангами, которые шарнирно связаны с коромыслом противовеса. Ось коромысла находится в ниже порога под затворами на опорах.

Плечи коромысла и противовес подбираются так, чтобы затвор уравновешивался в любом положении. Эти затворы могут перекрывать пролеты до 20 м при высоте до 3,5 м. на повышенных порогах плотин.

Рис.16.6. Клапанный гидравлически уравновешенный затвор

Рис.16.7. Клапанный затвор, уравновешенный снизу противовесом (Чипеева)

Сифонные водосбросы

В гравитационных плотинах при стесненном фронте водослива, а также в тех случаях, когда нужно достигнуть автоматического действия водослива при малых колебаниях уровня верхнего бьефа, целесообразно устраивать сифонные водосбросы.

Такой водосброс представляет собой водовод прямоугольного или круглого сечения в теле плотины, входная часть которого расширена и заглублена под уровень НПУ настолько, чтобы при сбросе воды не образовались воронки пони­жения горизонта воды и не проникал воздух внутрь си­фона; порог (гребень) си­фонного водовода распола­гается на уровне НПУ.

Рис.16.8. Сифонные водосбросы.

а – с изгибом для отброса струи; б – с колодцем; 1 – отверстие для срыва вакуума; 2 – плоскость (носок) для отброса струи при зарядке сифона; 3 – колодец с водяным замком; 4 – труба опорожнения колодца

Расход воды через си­фон сечением при выходе в нижний бьеф а_н х b_нопре­деляется по формуле:

где напор считается от уровня верхнего бьефа до центра выходного сечения сифона в нижнем бьефе, ес­ли оно не затоплено, или до горизонта во­ды нижнего бьефа, если вода из сифона выходит под уро­вень нижнего бьефа;

где v _o -— скорость тече­ния воды на подходе к си­фону;

μ — коэффициент расхода, обычно в си­фоне при Н₀ < 10 м коэффициент =0,8 ÷0,85, при 15 м>Hо>10 м коэффициент этот снижается до 0,6÷0,7.

Удельный расход воды через трубу сифона на практике назначают до 20÷25 м³/сек, что соответствует напору 4,5÷5 м на гребне откры­того водослива.

Сифонные водосбросы автоматически включаются в работу при повышении уровня верхнего бьефа сверх заданного. Гребень сифона для этой цели располагают на отметке нормального подпорного уровня. Сифон начинает устойчиво работать полным сечением тогда, когда уровень в верхнем бьефе превысит отметку гребня сифона на 0,2...0,3 м. При этом в трубу сифона перестает поступать воздух через специальные отверстия, вследствие чего он вы­ключается из работы как обычный во­дослив. Включение сифона — переход его в напорный режим работы обеспе­чивается созданием в нем вакуума, что достигается за счет выноса потоком, движущимся через сифон, воздуха.

С верховой стороны сифон автоматически изолируется от атмосферы кромкой входного отверстия - капором).

Со стороны нижнего бьефа выходное отверстие сифона либо за­глубляют под уровень, либо доступ воздуха предотвращают водяной заве­сой, создаваемой с помощью носка, отклоняющего поток в сторону потол­ка нисходящей ветви сифона, или при­данием нисходящей ветви обратного наклона. Воздух из замкнутого про­странства выносится струей воды, си­фон заряжается — начинает работать напорно.

Режим зарядки можно улучшить развитием козырька капора или уст­ройством специальной забральной стенки.

Сифоны можно выполнять как са­мостоятельные водосбросы и как го­ловные части комбинированных водо­сбросов.

К достоинствам сифонов относят автоматизм их действия, пропуск рас­ходов при малых высотах призмы форсировки (0,1...1 м), возможность сооружения водосброса после введения в эксплуатацию глухой грунтовой пло­тины, а также возможность использования сифонов при реконструкции во­досбросов в целях увеличения их про­пускной способности. Недостатки си­фонов: сложность эксплуатации в зим­ний период и при необходимости про­пуска льда и других плавающих пред­метов; вибрации отдельных частей; значительные давления и вакуумы на поверхностях крутых изгибов труб си­фона при высоких скоростях течения в нем; необходимость в применении сложной опалубки и существенного армирования стенок.

Применение сифонов в деривационных ГЭС

Безнапорная деривация заканчивается бассейном. Напорный бассейн состоит из аванкамеры (расширенный и заглубленный участок деривации) и водозаборной части, в пределах которой вода поступает в турбинные водоводы.

В пределах напорного бассейна устанавливают водосбросные сооружения, которые позволяют пропускать воду, минуя турбины.

Холостые водосбросы рассчитываются на пропуск всего расхода канала или части его для того, чтобы в случае остановки ГЭС не допустить подъема уровня воды в напорном бассейне выше нормальной отметки, либо для того, чтобы подавать нужное количество воды потребителям ниже данной гидро­станции при ее остановке.

Холостые водосбросы должны действовать автоматически, поэтому они делаются в виде открытых водосливов, водосбросов, оборудованных авто­матическими затворами, или сифонов.

Для проведения водохозяйственных и водноэнергетических расчетов в период первоначального наполнения водохранилища (периода временной эксплуатации) гидроузла долж­ны быть установлены:

- сроки начального наполнения водо­хранилища,

- сроки ввода гидроагрегатов и их эксплуатационные ха­рактеристики в зоне пониженных напоров,

- нормы водопотребления в расчетный период;

- пропускная спо­собность водосбросных сооружений.

Интенсивность первоначального наполнения водохранилища и сроки пуска первых агрегатов ГЭС зависят:

- от соотношения объемов водохранилища и речного стока;

- от заявок на воду отраслей хозяйства;

- экологических попусков ниже створа гидроузла.

Расчеты выполняются, по мно­говодным, средним и маловодным годам. По многоводным годам устанавливаются темпы роста подпорных сооружений, в средних по водности условиях определяется годовая выработка электроэнергии, а в расчетных маловодных условиях (90 или 95%-й обеспеченности) - годовая и месячные выработки (мощности).

В период начального наполнения водохранилища уменьшается сток реки ниже гидроузла, поэтому наполнение производят при прохождении паводка, для крупных водохра­нилищ наполнение проходит поэтапно за несколько лет.

Скорость и режим наполнения определяются следующими ус­ловиями:

• отбор воды из реки для заполнения водохранилища не должен превышать допустимого по санитарным нормам;

• должен быть обеспечен пропуск расходов в нижний бьеф;

• скорость повышения уровня водохранилища должна быть допустимой для работы гидротехнических сооружений, формирования фильтрационного ре­жима, активизации оползневых процессов, сейсмичности;

• гидротехнические сооружения должны быть готовы к наполнению водохранилища;

• за­щитные, природоохранные мероприятия, мероприя­тия по переселению населения должны быть проведены в соответствии с проектом.

• санитарная подготовка ложа водохранилища должна завершиться за год до начала его наполнения.

Поэтапное наполнения водохранилища и ввода гидроаг­регатов обосновывается стремлением повысить экономическую эффектив­ность гидроэнергетического объекта за счет сокращения сроков "омертвле­ния" капвложений, ускорения их возврата и в целом сокращения инвестици­онного цикла.

Поэтапное наполнение водохранилищ и ввод мощностей характерны для большинства крупных гидроэнергетических объектов. Например, строитель­ство гидроузла Гранд Диксанс (Швейцария) с гравитационной плотиной вы­сотой 285 м и заполнение его водохранилища объемом 0,4 км³ производились в 4 этапа (очереди) соответственно на 182, 224, 254 и 284 м. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС (Россия) с арочно-гравитационной плотиной высотой 245 м и заполнение водохранилища объемом 31,3 км³ до НПУ производили с 1975 (перекрыто русло Енисея), 1978 г. – поставлен под нагрузку первый агрегат, по 1990 гг., а заполнение водохранилища Кременчугской ГЭС (Украина) с плотиной высотой 33 м — в 2 этапа. При объеме водохранилища 13,5 км³ отбор воды на его заполнение в основном в период половодья в 1960 г. соста­вил 7,1 км³, а в 1961 г. — 6,4 км³, причем эти годы были маловодными обес­печенностью 80 %.

Пропуск строительных расходов

Строительные расходы через основные сооружения и перемычки пропускают:
а) путем фильтрации и перелива через каменно-набросные и ряжевые перемычки;
б) через временные донные отверстия (рядами параллельных труб, уложенных в теле возводимого сооружения);
в) через постоянные донные отверстия сооружения или используя судоходные шлюзы, турбинные блоки;
г) через незавершенные сооружения (метод гребенки).
Способа пропуска строительных расходов выбирается с учетом:

- сокращением затрат на строительство перемычек;

- упрощением отвода строительных расходов;

- сокращением срока строительства основных сооружений.

Рис. 17.1. Схема пойменного способа возведения сооружений гидроузла:
1 - глухая плотина; 2 - водосбросное сооружение; 3 - ось перемычки.

Постройку небольших гидроузлов выгодно заканчивать в период между паводками, так как в этом случае уменьшается строительный расход и, следовательно, уменьшается высота перемычек. Небольшие гидроузлы на постоянных водотоках чаще всего строят однокотлованным способом с пропуском строительных расходов воды по обводным руслам (рис.17.1). Если в состав гидроузла входит водосбросное сооружение, обособленное от остальных сооружений, его используют для пропуска строительных расходов. Так как водосбросное сооружение всегда необходимо для эксплуатации основного сооружения, выгодно строить его заранее и пропускать по нему строительные расходы. Если в составе гидроузла нет водосбросов, то целесообразно устройство специальных каналов, лотков, труб или туннелей.

Для уменьшения объема работ предпочтительна трассировка каналов с использованием местных понижений рельефа. Начало канала (рис. 17.1) устраивают на расстоянии 40—60 м от верховой перемычки выше по течению; конец водоотводного канала примыкает к реке за низовой перемычкой. Геометрические размеры канала определяют гидравлическим расчетом по допускаемой средней скорости для грунта канала.

Если канал устроить невозможно, то строительные расходы реки можно пропускать по трубам, заложенным либо в русле реки, либо вне его. Трубный способ пропуска расходов особенно эффективен при строительстве плотин с донным водоспуском и башенным водоприемником, осуществляющим забор воды.

Трубы, как правило, укладывают в осушенных котлованах, т. е. насухо, чем достигается тщательное сопряжение труб с основанием. После окончания строительства труб и водоприемников русло реки перегораживают перемычками и воду направляют в трубы. При небольших строительных расходах (до 30 м³/сек) их можно отводить лотками-акведуками (рис. 17.2), устроенными на эстакаде через перемычки и строящееся сооружение. Лотки могут быть железобетонные, деревянные чаще прямоугольного сечения, особое внимание должно уделяться со­единению стенок и дна лотка с перемычками во избежание значитель­ной фильтрации.

Рис. 17.2. Схема отвода воды лотком:

1 - плотина; 2 - верховая перемычка; 3 - низовая перемычка

Рис. 17.3. Схема очередности строительства водозаборного узла в две очереди:
1 - плотина; 2 - водоприемник; 3 - головной шлюз; 4 - промывной шлюз; 5 - сифонный водосброс;

5 - плотоход; 7 -перемычка.

При крутых скальных берегах применяют пропуск строительных расходов туннелями, особенно на горных реках с узкими долинами. В первую очередь сооружают туннели, затем реку перегораживают каменным банкетом, под прикрытием которого возводят верховую и низовую перемычки котлована, а воду пропускают через туннели. При использовании туннелей в качестве постоянных водосбросов или водопроводящих сооружений их оборудуют затворами.

При секционном способе (рис. 17.3) в котловане первой очереди (котлован 1) строят сооружения, служащие для пропуска расходов во­ды, или часть водосливной плотины с донными отверстиями, либо в виде гребенки (без водосливов между бычками). Строительные расходы в это время пропускают через свободную часть реки.

Рис. 17.4. Строительство водосливной плотины способом гребенки (двухступенчатой).

Отметка гребня перемычки второй очереди назначается аналогично, как и для перемычек первой очереди строительства. Окончание строительства возводимой части сооружения может продолжаться (способом гребенки) одновременно с пропуском строительных расходов. В пролетах между бычками устанавливают щиты и под их защитой (рис. 17.4) по частям и по отдельным ярусам бетонируют водосливную часть плотины в отдельных пролетах. В это время по другим пролетам пропускают строительный расход. После окончания бетонирования в одних пролетах щиты переставляют в свободные пролеты и приступают к бетонированию в них, строительные расходы в это время пропускают по пролетам с уложенным в их нижней части бетоном.

Вероятностный расчет сроков наполнения водохранилища.

Для определения условий начального наполнения водохранилища выполня­ются водохозяйственные и водноэнергетические расчеты, на основании кото­рых устанавливаются необходимая готовность подпорных сооружений гидро­узла на различных этапах наполнения и сроки поэтапного ввода, режим ра­боты водохранилища и ГЭС при промежуточных отметках в период времен­ной эксплуатации, водохозяйственные и водноэнергетические характеристи­ки.

Расчеты первоначального наполнения водохранилища выпол­няются балансовым методом по календарным или смоделирован­ным рядам расходов воды.

Приток в водохранилище принимают по характерным по водно­сти годам и периодам ряда наблюдений или моделируется для лет различной обеспеченности (что рекомен­дуется использовать для крупных водохранилищ, наполнение кото­рых возможно осуществить лишь за несколько лет) (в зависимости от класса сооружений пускового комплекса в соответствии со СНиП 33-01-2003, СНиП 2.04.02-84* (Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) и СП 33-101-2003).

При наполнении водохранилища назначается вероятность расчетных максимальных расходов для периода временной эксплуатации постоянных сооружений, зависящие от длительности периода временной эксплуатации (от 1 до 20 лет по СНиП 33-01-2003).

Обеспеченность минимальных расходов для обеспечения водоснабжения назначается в зависимости от категории системы водоснабжения (85-95%) по СНиП 2.04.02-84* (Водоснабжение. Наружные сети и сооружения).

Дата добавления: 2014-12-23