В гидравлической лаборатории ЦГИ НИИЭС были проведены модельные исследования одноразового затвора «Гидроплюс», выполнен проект, была построена и введена в эксплуатацию в 2000 г. малая Хоробровская ГЭС на р. Нерль Волжская. Водосбросы плотины этой ГЭС включали два береговых экспериментальных пролета, в которых проходили испытания затворов, и лабиринтный водослив, имеющего 8 секций трапецеидальной формы.

Целью испытаний и зимнего мониторинга было:

изучение силового воздействия ледового покрова водохранилища на затворы со стороны верхнего бьефа в период зимней межени;

изучение условий пропуска льда через затворы в весенний паводок;

изучение характера обмерзания затворов со стороны нижнего бьефа;

изучение влияния промерзания конструктивных элементов затворов (дренажей, камер противодавления, шахт, водосливной кромки, уплотнений).

По результатам четырехлетних испытаний секция "Правовые и нормативно-технические проблемы безопасности энергетических сооружений" НТС РАО "ЕЭС России" в 2005 г. рекомендовала использовать эти затворы для повышения безопасности гидротехнических сооружений, не имеющих требуемой надежности в случае перелива через их гребень потока воды.

В процессе модельных экспериментов с этими затворами «Гидроплюс» для плотины Хоробровской ГЭС и плотины «Гриб» в Алжире был выявлен ряд особенностей этих затворов, не поддающихся аналитическому расчету при их проектировании.

В свете изложенного детальному модельному исследованию и анализу в диссертации были подвергнуты следующие вопросы:

анализ причин колебаний затворов «Гидроплюс» в момент перед опрокидыванием и разработка мероприятий, исключающих это явление;

изучение гидравлических условий и фактора взаимодействия шахты и дренажной системы затвора для уточнения уровня опрокидывания;

изучение зависимостей уровня воды под струей непосредственно у стенок затвора со стороны нижнего бьефа от расхода перелива, степени подтопления и формы переливающейся струи;

изучение влияния наличия или отсутствия соседнего затвора на надежность сработки исследуемого затвора.

Во второй главе рассмотрены методика и оборудование для проведения лабораторных и натурных исследований. Лабораторные исследования, проведенные во Франции, подтвердили работоспособность затворов. Однако ряд вопросов, от решения которых зависит точность уровня сработки, назначение очередности опрокидывания, работа в зимних условиях, не были достаточно проработаны. Поэтому, когда возник вопрос о применении затворов этого типа в России, потребовалось проведение большого объема лабораторных исследований.

Основными действующими на затвор силами являются силы тяжести, давления воды и сопротивления движению воды. Поэтому моделирование всех параметров потока производилось по критерию Фруда.

Наряду с соблюдением подобия по критерию Фруда проверялось подобие по числу Рейнольдса, характеризующему режим течения.

Для выполнения лабораторных исследований была смонтирована установка, схема которой представлена на рис.2.

Оборудование модели и применяемая аппаратура обеспечивали решение основных задач исследований:

построение расходных характеристик, в том числе при переливе потока через гребень, вычисление коэффициента расхода по опытным данным;

Рис. 2. Схема гидравлической установки для исследования моделей затвора «Гидроплюс»

изучение пропуска льда через затворы; изучались размеры льдин, которые могут быть свободно сброшены; льдин, вызывающих закупорку водосбросного фронта, уменьшающую пропускную способность водосброса; а также льдин, вызывающих преждевременное опрокидывание затворов;

исследование пропуска плавающих бревен;

изучение влияния подтопления со стороны нижнего бьефа на момент опрокидывания;

определение оптимальной формы водозаборной шахты;

изучение причин колебаний затвора в критических условиях;

назначении уровня опрокидывания для установления очередности опрокидывания затворов в условиях нарастания паводкового расхода.

Модельные льдины изготавливались из смеси парафина и воска. Они имели в плане круглую или геометрически неправильную, но близкую к кругу форму. При этом в качестве характерного планового размера d принимался максимальный линейный размер льдины в плане.

Модели плавающих бревен изготавливались из деревянных брусков длиной до 60 см, что в масштабе модели 1:10 соответствует 6,0 м, то есть стандарту распиловки бревен на леспромхозах перед лесосплавом.

Проверке подверглись четыре модификации затвора: классического типа – модель № 1; с малым переливом – тип А; с большим переливом – тип В; для водосливов с ледоходом – тип С.

В результате сравнения характеристик затворов 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 2000 г. С 2000 г. до настоящего времени проводится непрерывный мониторинг затворов.

Натурные исследования (мониторинг) включали: испытание работоспособности затворов в расчетных условиях, т.е. устойчивость затворов в закрытом состоянии при подъеме уровня в верхнем бьефе ниже расчетной (максимальной) отметки; мониторинг эксплуатационной ситуации с затворами в условиях пропуска паводков и в зимних условиях.

В программу мониторинга включались измерения показателей погоды, уровней бьефов, регистрация условий прохождения льда и плавающих тел, состояния самого затвора, взаимодействия затвора и наледей.

В третьей главе подробно рассмотрены результаты лабораторных исследований гидравлических характеристик затворов «Гидроплюс». На лабораторной установке измерялись и исследовались: скорости течения при переливе потока через затвор, рис. 3; давление внутри затвора; давление на затвор снаружи и влияние подтопления затвора со стороны нижнего бьефа, рис. 4 и 5; гидравлические процессы, приводящие к колебаниям затвора перед его опрокидыванием; влияние формы шахты рабочей камеры на уровень воды, при котором затвор опрокидывается; моменты сил и устойчивость затвора в различных эксплуатационных условиях, рис. 6 и 7.

Результаты модельных исследований дали основание сделать следующие основные заключения о гидравлических характеристиках затворов «Гидроплюс».

Устойчивое статическое положение тела затвора обеспечивается при превышении удерживающими силами опрокидывающих сил при уровнях воды в верхнем бьефе ниже некоторых расчетных значений, которые при многопролетной водосливной плотине могут выбираться различными для каждого затвора из многих. При превышении уровнем верхнего бьефа отметки переливной грани затвора (которая может быть одинаковой для всех затворов на плотине) начинается перелив воды «внутрь» затвора при напоре, определяемым уровнем верхнего бьефа и достигающем 90% от высоты

Рис. 3. Скорость течения в затворе № 1 при Кпер = 0,863

Рис. 4. Изменение разности давления за затвором и УНБ с ростом отметки

Рис. 5. Зависимость разности уровня под струей и уровня нижнего бьефа от степени подтопления нижним бьефом при Кпер = 0,413

Рис. 6. Схема действующих сил для определения моментов устойчивости

Напор на пороге