Рис. 7. Кривые устойчивости при предельных значениях противодавления в

Наличие переливающейся воды через водосливные кромки затвора приводит к появлению давления внутри затвора, влияющего на его устойчивость, эти силы должны быть учтены в алгоритме расчета устойчивости; в диссертации приведены подробные данные о давлении на стенки внутри затвора.

Движение воды внутри затвора в режиме перелива, движение воды снаружи затвора и под днищем затвора перед его опрокидыванием носит исключительно своеобразный и сложный характер. Поэтому в диссертационной работе гидравлическая структура потока и его воздействие на тело затвора и влияние его на устойчивость изучались на физических моделях.

Затворы «Гидроплюс» имеют повышенную пропускную способность по сравнению с традиционными типами затворов за счет значительной лабиринтности гребня (до 3,0 у исследованных моделей); значения коэффициента расхода относительно пролета в свету не уменьшается ниже 0,65-0,70.

Картина течения снаружи затвора определяется уровнями верхнего и нижнего бьефов, влиянием конструкции порога, наличием соседних затворов. Давление на пороге не соответствует уровню нижнего бьефа и с увеличением расхода при постоянном уровне нижнего бьефа это различие возрастает. При значительном подтоплении сопряжение потока с нижним бьефом после схода потока с затвора переходит в поверхностный режим. Давление между затворами имеет тот же характер, что и давление за затвором, но по значению несколько больше, чем за затвором. Уровень воды под струей может быть как больше, так и меньше уровня воды в нижнем бьефе.

Гидродинамические условия обтекания затвора в случае, когда сумма удерживающих и опрокидывающих моментов равна нулю и затвор близок к состоянию опрокидывания, обуславливают возможность возникновения колебательных движений тела затвора. Установлено, что основной причиной этого является динамическое изменение давления под дном затвора при протекании потока через донную щель, образующуюся при наклоне затвора в пределах упругих деформаций уплотнений. Предотвратить это нежелательное явление возможно за счет конструктивного преобразования нижней части затвора с устройством боковых накладок.

В четвертой главе рассмотрены результаты натурных испытаний одноразовых затворов «Гидроплюс».

Мониторинг затворов и лабиринтного водослива Хоробровской ГЭС, продолжающийся на протяжении девяти лет, показал, что одноразовые затворы системы «Гидроплюс» работают надежно в зимних условиях, если через них нет сброса льда с размерами льдин более ширины затвора. Колебания уровня в верхнем бьефе не влияют на устойчивость затвора. Пространство в пролете перед затворами и внутри затворов промерзает на большую глубину и остается неподвижным независимо от колебаний уровня, так как перед затвором на границе неподвижного и подвижного льда образуется трещина.

Никаких деформаций и смещений затворов при замерзании и оттаивании не обнаружено. Обмерзание дренажного отверстия приводит к подъему уровня воды в шахте и затворе до отметки верхнего бьефа, и при этом устойчивость затвора не нарушается. В морозную погоду вода внутри затвора промерзает до дна. В оттепель у стенок затвора оттаивает слой, однако на дне лед тает к началу паводка при положительных среднесуточных температурах.

Судя по характеру обмерзания лабиринтного водослива в сильные морозы при малых расходах перелива, можно предположить, что «плавкие» затворы «Гидроплюс» в таких условиях получат большую нагрузку в сторону увеличения опрокидывающего момента, рис. 8. Глыбы льда и наледи будут удерживаться шахтой затвора, что может привести к потере его устойчивости. Поэтому перелив через гребень затвора в зимнее время допускать не рекомендуется.

На Хоробровской плотине существуют затруднения с уборкой крупного мусора, который в паводок создает дополнительную нагрузку на затвор, не учтенную расчетом его устойчивости.

Существенного сброса льда через плотину не наблюдалось. Через лабиринтный водослив проходили отдельные льдины, рис. 9. Наблюдался проход ледяного поля размерами около 10*50 м. При подходе к гребню водослива поле разваливалось на куски, и без торошения и заторов лед сбрасывался в нижний бьеф. Имел место проход через левобережную часть водослива ледяного поля с навалом его на опору моста и повреждением этой опоры. Это свидетельствует о том, что на плотинах с ледоходом предпочтительными являются конструкции затворов без шахт и с подводом воды через каналы в гребне плотины.

Рис. 8. Затворы «Гидроплюс» в сильный мороз (t = –20(C)

Рис. 9. Пропуск паводка через плотину Хоробровского гидроузла

в апреле 2005 г.

Весенние паводки, прошедшие за годы мониторинга Хоробровской водосливной плотины, были значительно меньше паводка однопроцентной обеспеченности, при котором должны опрокинуться затворы. Опрокидывание затворов должна происходить при расходах свыше 420 м3/с. При этом перелив воды через автоматический затвор должен составлять 1,5 м.

В пятой главе рассмотрен опыт проектирования водосливных плотин и затворов «Гидроплюс» с использованием результатов экспериментальных исследований. Описаны водосливная плотина гидроузла Хоробровской МГЭС с затворами «Гидроплюс» и водосливная плотина гидроузла «Ghrib» в Алжире. Рассмотрены перспективы применения затворов «Гидроплюс» на нескольких десятках гидроузлов России с напорами от 2 до 14 м, находящихся в разрушенном состоянии. С появлением таких автоматических затворов стала очевидной целесообразность использования их в первую очередь на малых

В отношении одноразовых затворов, нашедших уже широкое применение, сформулированы условия, в которых эти затворы наиболее эффективны.

Для ряда уже построенных гидроузлов международными нормами повышены расчетные максимальные паводковые расходы. Для пропуска больших расходов целесообразно использовать одноразовые затворы.

Но поскольку эти затворы допускают перелив через гребень, то одно-временно они могут использоваться и для регулирования расхода при пиковой работе ГЭС. Это позволяет существенно упростить регулирование расходов, не прибегая к сработке водохранилища и маневрированию затворами с частичным их открытием. ГЭС будет всегда работать при отметке верхнего бьефа, равной или несколько выше НПУ, что позволит увеличить выработку электроэнергии.

Одноразовые затворы могут устанавливаться не только на гребнях водосливов, но и на отдельных береговых секциях бетонных плотин на скальном основании, то есть в условиях, где при экстремальных паводках можно пропустить поток без опасения нарушения напорного фронта гидроузла.

В условиях России затворы «Гидроплюс» могут найти применение на малых и крупных ГЭС, на новых и реконструируемых гидроузлах; такие затворы могут применяться с целью увеличения полезного объема без достройки плотины в случае значительного заиления водохранилища.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Быстрый подъем уровня воды в верхнем бьефе не предоставляет достаточного времени для открытия традиционных затворов водосливных плотин даже при исправном оборудовании и обеспеченном энергоснабжении. Надежность обеспечения пропускной способности дает применение автоматических затворов, открывающих водосливные пролеты независимо от влияния человеческого фактора и конструктивных особенностей плотины и собственно затвора, а именно вододействующих затворов, в которых давление воды является единственной силой, приводящей их в действие. Удачная конструкция затвора предложена и разработана французской фирмой «Гидроплюс»; такие затворы установлены и успешно эксплуатируются на нескольких десятках гидроузлов во многих странах мира.

2. Лабораторные и натурные гидравлические исследования одноразовых затворов «Гидроплюс» позволили получить сведения об их эксплуатационных параметрах и особенностях работы, особенно в суровых зимних условиях. Моделирование параметров потока при лабораторных исследованиях производилось по критериям Фруда и Рейнольдса, моделирование льдин производилось с учетом статистических характеристик для условий России. Измерение характеристик потока производилось в достаточном количестве мерных точек с использованием современной измерительной аппаратуры, что обеспечило получение достоверной экспериментальной информации.

3. В процессе модельных экспериментов с затворами «Гидроплюс» был выявлен ряд особенностей, не поддающихся аналитическому расчету. Поэтому наряду с задачами исследований общих гидравлических характеристик и условий их устойчивости и срабатывания были поставлены задачи изучения ряда гидравлических особенностей таких затворов. Движение воды внутри затвора в режиме перелива, движение воды снаружи затвора и под днищем затвора перед его опрокидыванием носит исключительно своеобразный и сложный характер, что делает невозможным исследование гидравлической структуры обтекания затвора аналитическими и численными методами. Поэтому в диссертационной работе гидравлическая структура потока и его воздействие на тело затвора изучались на физических моделях на гидравлическом стенде. Наличие переливающейся воды через водосливные кромки затвора приводит к появлению сил, влияющих на устойчивость тела затвора; эти силы учтены в алгоритме расчета устойчивости; в диссертации приведены подробные данные о давлении на стенки внутри затвора.

4. Затворы «Гидроплюс» имеют повышенную пропускную способность по сравнению с традиционными типами затворов за счет значительной лабиринтности гребня (до 3,0 у исследованных моделей); значения коэффициента расхода не уменьшается ниже 0,65-0,70.

5. Картина течения снаружи затвора определяется уровнями верхнего и нижнего бьефов, влиянием конструкции порога, наличием соседних затворов. Испытания позволили получить результаты, подтвердившие работоспособность затвора при различных случаях перелива воды через затвор.

6. Гидродинамические условия обтекания затвора в случае, когда сумма удерживающих и опрокидывающих моментов равна нулю и затвор близок к опрокидыванию, вызывают колебательные движения тела затвора. Причиной этого определено динамическое изменение давления под дном затвора при протекании потока под донной щелью. Предотвратить это нежелательное явление возможно за счет конструктивного преобразования нижней части затвора с устройством боковых накладок.

7. Мониторинг затворов «Гидроплюс» и лабиринтного водослива Хоробровской ГЭС, продолжавшийся на протяжении девяти лет, показал, что одноразовые затворы работают надежно в зимних условиях, если через них нет сброса льда. Колебания уровня в верхнем бьефе не влияют на устойчивость затвора. Пространство в пролете перед затворами и внутри затворов промерзает на большую глубину и остается неподвижным независимо от колебаний уровня, так как перед затвором на границе неподвижного и подвижного льда образуется трещина. Деформаций и смещений затворов при замерзании и оттаивании не обнаружено. Обмерзание дренажного отверстия приводит к подъему уровня воды в шахте и рабочем затворе до отметки верхнего бьефа, при этом устойчивость затвора не нарушается. В морозную погоду вода внутри затвора промерзает до дна. В оттепель у стенок затвора оттаивает слой, однако на дне лед тает к началу паводка при положительных среднесуточных температурах.

8. Судя по характеру обмерзания лабиринтного водослива в сильные морозы при малых расходах перелива, можно предположить, что затворы «Гидроплюс» в таких условиях получат большую нагрузку в сторону увеличения опрокидывающего момента. Глыбы льда и наледи будут удерживаться шахтой затвора, что может привести к потере его устойчивости.

9. На плотине Хоробровской МГЭС существуют затруднения с уборкой крупного мусора, что создает дополнительную нагрузку на затвор, не учтенную расчетом его устойчивости. Существенного сброса льда через плотину не наблюдалось. Через лабиринтный водослив проходили отдельные льдины. Имел место проход через левобережную часть водослива ледяного поля с навалом его на опору моста и повреждением этой опоры. Это свидетельствует о том, что конструкция затвора «Гидроплюс» с шахтой в пролете не может применяться на плотинах с ледоходом.

10. Результаты лабораторных и натурных испытаний послужили основанием для разработки новых модификаций вододействующих затворов, в частности, при участии соискателя были предложены и разработаны полуавтоматические вододействующие "многоразовые" затворы.

11. В условиях России затворы «Гидроплюс» могут найти применение на малых и на крупных ГЭС. Этими затворами могут оборудоваться новые и реконструируемые гидроузлы; в том числе, такие затворы могут применяться с целью увеличения полезного объема водохранилища в случае его заиления. Затвор удачно может быть применен для повышения пропускной способности водосливных плотин для удовлетворения современных требований пропуска повышенных расчетных максимальных паводковых расходов; для повышения действующего напора на турбины ГЭС за счет оперативного регулирования уровня воды в верхнем бьефе; для повышения надежности обеспечения пропуска паводка за счет автоматического срабатывания, то есть отсутствия необходимости электропитания приводных механизмов.

12. Основными задачами предстоящих исследовательских и конструкторских разработок в области создания одноразовых и многоразовых вододействующих затворов являются: разработка конструкции, способной свободно пропускать через гребень лед и плавающие тела; разработка конструкции боковых ребер на пороге, ограничивающих раскрытие боковых щелей под затвором; разработка конструктивных мероприятий, обеспечивающих переход к поверхностному режиму сопряжения струи с нижним бьефом; разработка усовершенствованной схемы и технологии профилактического ремонта уплотнений и замены затвора в случае его опрокидывания; обеспечение надежного гашения энергии переливающейся через затвор струи.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Безносов, В.Н. Экологическое сопровождение деятельности по проектированию и эксплуатации гидротехнических объектов / В.Н. Безносов, А.Л. Суздалева С.В. Ковалев, // "Гидротехн. стр-во", 2009, № 8.

Беликов, В.В. Численные исследования при решении гидравлических задач / В.В. Беликов, С.В. Ковалев // "Гидротехн. стр-во", 2009, № 8. с. 61-66.

Ковалев, С.В. Опыт исследований и эксплуатации вододействующих затворов / С.В. Ковалев // "Гидротехн. стр-во", 2009, № 2. с.20-23.  

Кочетков, В.В. Применение гис-технологий и специализированных баз данных при численном моделировании экстремальных затоплений поймы Нижнего Дона / В.В. Кочетков, В.В. Беликов, Н.М. Борисова, С.В. Ковалев, Н.В. Никитина // Сб. докл. конф. "Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях", 2008. с. 121-125