Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались:

на заседаниях научно-технического совета ЦГИ ОАО «НИИЭС» (2005 - 2009

на заседании Ученого совета ОАО «НИИЭС» (2009 г.);

на международной конференции «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях» (Москва, 2008 г.);

на 11-ом Национальном Конгрессе по теоретической и прикладной механике (Болгария, 2009 г.);

на международной конференции HYDRO-2009 (Франция, 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 публикациях в отечественной и зарубежной технической печати, в том числе в 4 статьях в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 89 наименований; изложена на 199 стр. машинописного текста и иллюстрирована 144 рисунками и 5 таблицами.

Основные положения, выносимые на защиту:

результаты модельных экспериментальных гидравлических испытаний модификаций автоматического вододействующего затвора;

рекомендации по гидравлическому расчету и конструированию автоматических вододействующих затворов, по проектированию батареи затворов, приспособленных для последовательного включения в работу при повышении уровня воды в водохранилище;

рекомендации по эксплуатации автоматических вододействующих затворов на водосливной плотине в суровых зимних условиях, разработанные по результатам многолетнего мониторинга на Хоробровском гидроузле;

рекомендации по определению направления разработок по дальнейшему совершенствованию конструкций автоматических вододействующих затворов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненных исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также ее рабочая гипотеза, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, обоснована их достоверность.

В первой главе проанализирована проблема пропуска быстронарастающих паводков на речных гидроузлах, дан обзор автоматических водосбросов и автоматически действующих затворов водохранилищных гидроузлов, описаны конструкция и эксплуатационные достоинства автоматических вододействующих затворов французской фирмы «Гидроплюс».

Проблемы рек, главным образом, малых, связаны с изменением их сезонной водности, вызванной обезлесением водосбора и увеличением неравномерности годового гидрографа, при котором паводковые расходы возрастают, а меженные сокращаются. Увеличивается скорость нарастания пиков паводков.

Бoльшую опасность представляют ливневые паводки. При малом объеме водохранилищ быстрое нарастание расхода и уровня в верхнем бьефе не предоставляет времени для поочередного открытия традиционных затворов даже при исправном оборудовании и обеспеченном энергоснабжении. В экстремальных условиях возможны отключения электроэнергии, отказы в работе подъёмных механизмов, халатность, растерянность и недисциплинированность персонала, нарушение коммуникаций и доступа к затворам. Часто именно ливневые паводки приводили к прорыву плотин и наводнениям.

Одним из наиболее надежных средств предотвращения разрушения плотин во время экстремальных паводков является устройство автоматически открывающегося затвора или даже размыв заранее определенной части плотины при достижении уровнем верхнего бьефа определенной отметки, то есть реализация принципа, который в технике получил общее название «плавкой вставки». Недостатками этого метода могут быть большая волна излива в нижнем бьефе, высокая стоимость восстановления «вставки» и неизбежность сработки водохранилища до порога «плавкой вставки» на период ее восстановления, что ведет к длительному нарушению водопользования.

Гораздо эффективнее применять вододействующие автоматические затворы, механизмы, единственной силой, приводящей которые в действие, является вода, ее вес или давление. Основными недостатками известных затворов были необходимая высокая точность изготовления и сборки деталей большого размера, влияние протечек в уплотнениях на положение затвора и, в связи с этим, необходимость восстановления давления в камере подпиткой водой, то есть необходимость постоянного контроля и управления.

Эти устройства в суровых зимних условиях России могут промораживаться, что может вызвать деформации затвора и нарушения уплотнения. Они требуют постоянного внимания в процессе эксплуатации.

Большинство гидроузлов, построенных ранее, требовало реконструкции. Часть плотин была разрушена, часть выведена из эксплуатации. Многие водохранилища были заилены и потеряли полезные объемы. Рост цен на электроэнергию и топливные ресурсы повысил интерес к малым ГЭС. Восстановление и реконструкция их требовала новых, современных технических решений. В их числе были предложенные фирмой «Гидроплюс» автоматические вододействующие затворы одноразового действия.

Их применение оправдано в случае паводка с вероятностью повторения менее 1%, однако изменяющиеся гидрологические условия и экологические требования заставляют опасаться, что повторяемость паводков такой интенсивности может повыситься. Такие затворы могут быть установлены на удаленных объектах, без электроснабжения, поскольку они не требуют оперативного обслуживания и постоянно находятся в «режиме ожидания».

Затвор «Гидроплюс» автоматически предотвращает подъем уровня в водохранилище выше расчетной отметки, с какой бы скоростью этот подъем ни происходил. Отсутствие между элементами затвора каких-либо кинематических связей и его полная автономность делают эту конструкцию чрезвычайно надежной.

Затвор «Гидроплюс» относится к типу поверхностных, передающих давление воды на порог водослива. Давление ниже расчетного воспринимается силами трения между подошвой порога и водосливной поверхностью плотины, определяемыми массой конструкции затвора и пригрузкой водой; конструктивная связь между телом затвора и телом плотины ограничивается устройством упорного блока, рис. 1.

Система конструкций «Гидроплюс» обеспечивает:

пропуск средних паводковых расходов переливом через гребень затвора;

пропуск больших паводковых расходов через все возрастающий водосливной фронт по мере опрокидывания необходимого числа затворов;

затворы свободно устанавливаются в ряд один к другому на пороге водослива, образуя водонепроницаемую преграду;

затвор опирается на упорные блоки, размещаемые с низовой стороны затвора. Для уравновешивания (воспринятия) сдвигающей гидростатической нагрузки затворы пригружают балластом или водой;

во избежание поднятия давления в рабочей камере затвора при протечках под его подошвой предусмотрены дренажные отверстия;

на каждом затворе имеется вертикальный стояк (шахта) с водоприемным отверстием (впускной колодец).

Рис. 1. Принцип действия затвора «Гидроплюс»: а) вода переливается через

б) вода поступает в водоприемное отверстие стояка; в) затвор опрокидывается

По мере подъема уровня воды над кромкой водоприемного отверстия стояка вода начинает поступать под подошву затвора. Когда полный приток воды превысит пропускную способность дренажных отверстий, возрастет взвешивающее давление, которое заставляет затвор наклониться над порогом водослива в сторону нижнего бьефа и опрокинуться.

Кромки водоприемных отверстий стояков затворов, установленных на плотине, располагаются на разных отметках. Это позволяет организовать последовательность опрокидывания затворов по мере повышения уровня верхнего бьефа.

С 1990-х годов началось активное внедрение этих затворов, и к 2008 году они были установлены на 50 объектах в 30 странах. Эти затворы выполняют все главные требования, предъявляемые к основным затворам: постоянная готовность и безотказность в работе; водонепроницаемость контактов затвора с сооружением; быстрота маневрирования; минимальная стоимость эксплуатации.

Система автоматических вододействующих затворов «Гидроплюс» может быть использована на многих существующих плотинах для увеличения полезного объема водохранилища, что позволяет сократить объем ежегодного сброса воды без повышения максимального уровня верхнего бьефа, и повышения надежности водосброса без уменьшения объема водохранилища путем понижения отметки порога водослива перед установкой затворов «Гидроплюс».

Простота и надёжность затворов позволяет применять их на вновь строящихся объектах и при реконструкции существующих плотин. Автоматические затворы на плотинах малых ГЭС, особенно удаленных от энергоснабжения и средств связи, являются не только важнейшим профилактическим средством, предотвращающим чрезвычайные ситуации, но и достаточным средством, обеспечивающим безопасность эксплуатации плотин малых ГЭС.

Затворы «Гидроплюс» нашли широкое применение в мировой практике. Все они установлены на гидроузлах в странах с теплым климатом. Достаточного опыта эксплуатации их в суровых зимних условиях не было. Поэтому перед внедрением в отечественную практику необходимо было провести испытание их в натурных условиях нашей страны.