CC BY
61
г и д р о э н е р г е т и к а
УДК 626.8
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ГРОДНЕНСКОЙ ГЭС
Кандидаты техн. наук, доценты КРУГЛОВ Г. Г., ЛИНКЕВИЧ Н. Н.
Белорусский национальный технический университет
В послевоенной Белоруссии ощущался острый дефицит электрической энергии, особенно для электрификации сельского хозяйства и небольших населенных пунктов. Поэтому, несмотря на равнинный ландшафт нашей республики, начался активный процесс сооружения малых гидроэлектростанций (ГЭС) на многочисленных реках. К 1960 г. их было около 170 с общей установленной мощностью 20 МВт, большинство находилось на балансе колхозов и совхозов.
Капиталоемкость создания единицы мощности на них была достаточно высокой, приходилась она в основном на возведение подпорного и водосбросного сооружений, здания ГЭС и чаши водохранилища. Достоинством же как в то время, так и теперь было и остается использование возобновляемых источников энергии гидроресурсов.
Активное наращивание мощности Белорусской энергосистемы, ставшей впоследствии составной частью единой энергосистемы Советского Союза, строительство крупных и экономичных в то время тепловых электростанций сделали работу этих ГЭС нерентабельной, они постепенно выводились из эксплуатации и были законсервированы.
В середине 90-х гг. прошлого века резко подорожали энергоресурсы, в основном импортируемые, что вызвало необходимость поиска альтернативных источников энергии: местных видов топлива, вторичных и возобновляемых.
В настоящее время, по данным концерна «Белэнерго», в Беларуси действуют 25 гидроэлектростанций общей мощностью 10 МВт, а общий гидроэнергетический потенциал страны составляет 400 МВт [1]. Использование гидроэнергетического потенциала - 2,5 %. Доля возобновляемых источников в энергетическом балансе в ближайшей перспективе должна достигнуть 25 %. Использование гидроресурсов является одним из путей решения этой проблемы [2].
В республике накоплен достаточный опыт восстановления ранее действовавших и строительства новых малых ГЭС, который позволяет присту-
пить к созданию ГЭС на таких крупных реках, как Неман, Западная Двина и Днепр, где для этого имеются благоприятные условия: удобные створы, при использовании которых отметки НПУ водохранилищ не превышают уровней паводковых вод в бытовых условиях.
В состав сооружений Гродненской ГЭС входят бетонная водосливная плотина, здание ГЭС и глухая земляная плотина.
В связи с тем, что водосливная плотина должна обеспечить в подтопленном режиме пропуск значительных паводковых расходов (расчетный паводок 3%-й обеспеченности 2250 м/с и поверочный - 0,5%-й обеспеченности 3280 м3/с), пропуск льда расчетной толщиной 68 см и надежное гашение кинетической энергии потока в нижнем бьефе, потребовались гидравлические исследования плотины на физической модели. Эти исследования были выполнены в гидравлической лаборатории кафедры гидротехнического и энергетического строительства Белорусского национального технического университета.
Компоновка Гродненской ГЭС (рис. 1) принята пойменной. Здание ГЭС и водосливная плотина расположены на правом берегу, а русло реки и левый берег перекрыты земляной плотиной. Водосливной фронт плотины, равный 80 м, разбит тремя бычками на четыре водосливных отверстия шириной по 20 м каждое. Крайние бычки - неразрезные, имеют толщину 2,5 м, а центральный бычок - разрезной, его толщина - 5,0 м. Очертание напорной грани крайних бычков - треугольное, центрального бычка - трапецеидальное.
Водосливные отверстия шириной 20 м и высотой 6,5 м перекрыты сегментными затворами с клапаном высотой 1 м. В бычках выполнены пазы для ремонтных затворов глубиной 0,6 м со стороны верхнего бьефа (ВБ) и нижнего бьефа (НБ). Маневрирование основными и ремонтными затворами ВБ осуществляется стационарными подъемниками, а ремонтными затворами НБ - козловым краном.
Поперечный разрез по водосливной плотине приведен на рис. 2. Гравитационная плотина имеет распластанный профиль с шириной подошвы, равной 37 м. Максимальная высота плотины от отметки гребня до отметки подошвы зуба - 6,5 м, высота водослива над отметкой дна реки - 3,5 м. Напорная грань плотины имеет ломаное очертание: от отметки подошвы зуба до отметки 90 м - вертикальное, от отметки 90 до 91 м - наклонное, затем снова вертикальное до отметки дна реки. Два участка напорной грани выполнены горизонтальными: на отметке 92 м длиной 2,75 м и на отметке 93 м - 1,25 м. Второй горизонтальный участок предназначен для установки ремонтных затворов со стороны верхнего бьефа. От отметки 93 м до гребня плотины напорная грань выполнена наклонной.
Криволинейная водосливная грань сопрягается с горизонтальной поверхностью водобоя на отметке 92 м по дуге окружности, очерченной радиусом Я = 10 м. Концевая часть плотины выполнена в виде горизонтальной плиты толщиной 2,5 м и длиной 15,9 м, заканчивающейся низовым зубом.
От крепления дна нижнего бьефа тело плотины отрезано конструктивным швом. Водобой, расположенный за водосливом, имеет комбинированную конструкцию. Непосредственно за водосливом располагается водо-
бойная плита толщиной 2,5 м и длиной 10 м, в конце которой выполнена водобойная стенка трапецеидального очертания высотой 2 м и толщиной по низу 1,8 м. За водобойной стенкой находится водобойный колодец глубиной 1 м (отметка поверхности колодца - 91 м) и длиной 15 м. Водобой разрезан продольными конструктивными швами через 15 м. Крепление рисбермы выполнено бетонными монолитными плитами. Первый ряд плит толщиной 1,4 м имеет плановые размеры 22x15 м, второй ряд плит толщиной 0,8 м - 15x18 м.
Экспликация сооружений
Номер на плане Наименование
1 Здание ГЭС
2 Водосливная плотина
3 Земляная плотина
4 Подводящий канал
5 Отводящий канал
6 Бычок
7 Левобережный сопрягающий устой
8 Раздельная стенка
Масштаб
Рис. 1. Компоновка Гродненской ГЭС
Концевой участок рисбермы выполнен в виде предохранительного ковша глубиной 4,5 м. Заложение верхового откоса ковша 1:3,5. Ковш заполнен камнем до отметки 89,5 м - над верховым откосом и до отметки 91,0 м - над низовым откосом ковша.
а
б
Ось паза ремонтного затвора НБ
Рис. 2. Поперечное сечение по водосливной плотине: а - водослив; б - конструкции крепления нижнего бьефа
В основу гидравлических исследований водосливной плотины Гродненской ГЭС положен метод физического моделирования [3-12], целью которого является воспроизведение в уменьшенном масштабе изучаемых явлений и обеспечение полного подобия натурных и модельных явлений.
Размеры водосливного пролета, максимальные расходы, а также размеры гидравлического лотка и расходы насосной установки гидравлической лаборатории БНТУ обусловили изготовление опытной установки в масштабе 1:72 (рис. 3).
Регулирование расходов, поступающих на модель, осуществлялось при помощи задвижки на подающем трубопроводе. Из трубопровода вода поступала в оголовок лотка, где установлен треугольный мерный водослив
с углом выреза 90°. Уровень воды перед мерным водосливом измерялся при помощи иглы в пьезометре, выведенном из стенки оголовка лотка. Точность измерения уровня воды в пьезометре - 0,1 мм.
Рис. 3. Общий вид опытной установки
Расход, проходящий через треугольный мерный водослив и поступающий на модель, определялся по тарировочной кривой и для контроля вычислялся по зависимости, предложенной для стальных мерных водосливов:
д = 1,343л2'47, (1)
где Н - напор на гребне мерного водослива, равный разности отметок уровня воды перед водосливом и его гребня.
В соответствии с заданием на проведение исследований были выполнены следующие опыты:
1. Проверка пропуска расчетного паводкового расхода 3%-й обеспеченности.
2. Проверка пропуска поверочного паводкового расхода 0,5%-й обеспеченности.
3. Проверка пропуска льда через водосливной пролет при открытии клапана сегментного затвора. Высота клапана - 1 м, пропускаемый расход д = 150 м3/с, в верхнем бьефе отметка нормального подпорного уровня (НПУ) равна 102,0 м, в нижнем бьефе отметка уровня воды - 94,8 м. Толщина льда - 68 см.
Первые два опыта, в которых проверялись условия пропуска 3%-го и 0,5%-го паводков, проводились в следующей последовательности:
• при помощи мерного водослива устанавливался расчетный расход, поступающий на модель;
• посредством жалюзей в нижнем бьефе модели устанавливалась глубина воды, соответствующая этому расходу;
• измерялась отметка уровня воды в верхнем бьефе модели и определялись напор на гребне плотины и перепад между верхним и нижним бьефами, при котором проходил расчетный расход;
• фиксировалось положение гидравлического прыжка и оценивался режим сопряжения бьефов;
• в расчетном створе нижнего бьефа измерялись скорости потока на рисберме. Измерения проводились на оси потока через 0,5-4,0 см по вертикали.
Третий опыт проводился в следующем порядке:
• при помощи мерного водослива устанавливался расчетный расход, поступающий на модель;
• посредством жалюзей в нижнем бьефе модели последовательно устанавливались различные глубины воды, начиная с отметки 94,8 м;
• при каждой глубине воды в нижнем бьефе пропускался через плотину лед и фиксировался режим его прохождения.
В результате опытов проведены:
• проверка пропуска расчетного паводкового расхода 3%-й обеспеченности. Расчетный паводковый расход 3%-й обеспеченности равен 2250 м /с, через один пролет водосливной плотины должен пропускаться расход 562,5 м /с при отметке уровня воды в верхнем бьефе, равной 102,0 м. Глубина воды в нижнем бьефе (в конце рисбермы), соответствующая этому расходу, равна 101,75 м.
Модельный расход, соответствующий расчетному паводковому расходу, равный 12,79 л/с, проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 102,45 м, т. е. на 0,45 м выше НПУ. Таким образом, перепад уровней воды в бьефах составляет 102,45 - 101,75 = 0,7 м.
Поток в верхнем бьефе плотины и на входе в водосливной пролет спокойный. От пазов, расположенных на боковых поверхностях бычков, на поверхности потока образуются косые волны, сходящиеся на оси пролета. Сбойности потока в нижнем бьефе не отмечено.
Скорости потока в конце рисбермы не превышают 3,5 м/с (рис. 4а).
б
102 Ане, м 100 99 98 97 96 95 94 93 92
104
Ане, м ♦
100
98
94
92
V, м/с
2 V, М/С 4
Рис. 4. Эпюры скоростей потока в нижнем бьефе на оси пролета: а - при пропуске расчетного расхода 3%-й обеспеченности; б - то же поверочного паводкового расхода 0,5%-й
обеспеченности
Лед при таких уровнях воды в бьефах проходит свободно, не задевая водосливную поверхность плотины и не задерживаясь на водобое и рисберме;
а
102
96
0
2
4
0
• проверка пропуска поверочного расхода 0,5%-й обеспеченности.
Поверочный паводковый расход 0,5%-й обеспеченности равен 3280 м /с, через один пролет водосливной плотины должен пропускаться расход 820 м3/с, при отметке уровня воды в верхнем бьефе равной 104,5 м. Глубина воды в нижнем бьефе (в конце рисбермы), соответствующая этому расходу, равна 103,8 м.
Модельный расход, соответствующий расчетному паводковому расходу, равный 18,64 л/с, проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 105,17 м, т. е. на 0,67 м выше форсированного паводкового уровня (ФПУ). Перепад между уровнями воды в бьефах равен 1,37 м. Характер движения потока аналогичен предыдущему опыту, только волнение в нижнем бьефе несколько большее.
Скорости потока в конце рисбермы не превышают 4,0 м/с (рис. 4б).
Также был проведен опыт (по просьбе проектировщиков), при котором поверочный расход на модели уменьшался на 3 % с целью учета погрешности масштаба моделирования. На модель подавался расход 18,1 л/с, уровень воды в нижнем бьефе тот же, что и в предыдущем опыте. Этот расход проходил при отметке верхнего бьефа, равной 105,11 м, т. е. на 0,61 м выше форсированного паводкового уровня. Перепад между уровнями воды в бьефах составил 1,31 м.
Лед при таких уровнях воды в бьефах проходит свободно, не задевая водосливную поверхность плотины и не задерживаясь на водобое и рисберме.
• проверка пропуска льда через водосливную плотину. В верхнем бьефе отметка НПУ равна 102,0 м. Расчетный расход 0 = 150 м3/с, отметка уровня воды в нижнем бьефе, соответствующая этому расходу, равна 94,8 м. Отметки гребня затвора, через который сбрасывается в нижний бьеф лед, - 101,0 м. При таком положении затвора расчетный расход проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 103,79 м, т. е. на 1,79 м выше отметки НПУ.
При высоте водобойной стенки 2 м (отметка гребня стенки - 94,0 м) гидравлический прыжок находится в критическом положении (начало прыжка располагается в сжатом сечении). За водобойной стенкой образуется второй гидравлический прыжок, который располагается в пределах водобойного колодца и также находится в критическом положении. Перепад на выходе из водобойного колодца незначительный. Скорость потока в конце рисбермы составляет 2,34 м/с.
Искусственно замораживались льдины размерами в плане 13x18 см2 и 9x13 см2 и толщиной 1 см, что в масштабе соответствовало плановым размерам льдин 10x13 м2 и 6,5x10 м2 и их толщине 0,7 м. Лед при замораживании подкрашивали чернилами.
При отметке уровня воды в нижнем бьефе 94,8 м льдины всех размеров при пропуске над затвором ударялись о водосливную поверхность плотины, о водобойную стенку и об уступ водобойного колодца (рис. 5).
При увеличении глубины воды в нижнем бьефе до отметки 96,1 м льдины не задевали водобойную стенку и уступ водобойного колодца и проходили, не задерживаясь в них. Однако отмечены удары льдин о водосливную поверхность плотины.
Рис. 5. Пропуск льда через водосливную плотину
Аналогичная картина наблюдалась и при отметке уровня воды в нижнем бьефе 96,8 м. При этом льдины меньших размеров не задерживались в прыжке перед стенкой, а льдины большего размера задерживались в зоне гидравлического прыжка и под воздействием водоворотного потока периодически ударялись о водосливную поверхность плотины.
При глубине воды в нижнем бьефе 6,0 м, что соответствует отметке уровня воды 98,0 м, прыжок и перед водобойной стеной и в водобойном колодце затоплен. Льдины всех размеров проходят, не затрагивая бетонные конструкции. Небольшие по размерам льдины совершают несколько возвратно-поступательных движений в прыжке, однако их ударов о бетонные конструкции не отмечено.
Таким образом, во избежание ударов льдин о водосливную поверхность плотины и о крепления дна в нижнем бьефе пропуск льда необходимо начинать при отметке уровня воды в НЕ, равной 98,0 м. Согласно кривой связи уровней и расходов воды в нижнем бьефе такая глубина соответствует расходу 900 м3/с.
В Ы В О Д Ы
1. Водосливная плотина Гродненской ГЭС, состоящая из четырех пролетов по 20 м каждый, пропускает расчетный паводковый расход 3%-й обеспеченности при отметке уровня воды в верхнем бьефе 102,45 м на 0,45 м выше отметки НПУ.
2. Поверочный паводковый расход 0,5%-й обеспеченности пропускается при отметке уровня воды в верхнем бьефе 105,17 м на 0,67 м выше отметки ФПУ.
3. Сопряжение бьефов при пропуске расчетного и поверочного паводковых расходов происходит при затопленном гидравлическом прыжке.
4. Максимальные значения средней скорости на оси потока в конце рисбермы - 3,42 м/с при пропуске расчетного паводкового расхода и 4,02 м/с - при пропуске поверочного паводкового расхода.
5. Расчетный расход 0 = 150 м3/с, при котором планируется сбрасывать в нижний бьеф лед через открытый клапан высотой 1 м, пропускается при
отметке уровня воды в верхнем бьефе 103,79 м, что на 1,79 м выше отметки НПУ.
6. Пропуск льда в нижний бьеф при расходе 150 м3/с и соответствующей ему отметке уровня воды в НЕ 94,8 м сопровождается ударами льдин о водосливную поверхность плотины и о конструкции крепления дна в нижнем бьефе.
7. Во избежание ударов льдин о водосливную поверхность плотины и о водобойные конструкции нижнего бьефа пропуск льда необходимо начинать при отметке уровня воды в нижнем бьефе 98,0 м, что соответствует пропускаемому расходу 900 м3/с.
Результаты исследований использованы для уточнения конструкции водосливной плотины при разработке строительного проекта Гродненской ГЭС.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С о в р е м е н н о е состояние и возможные пути развития гидроэнергетики Беларуси // А. Н. Альферович [и др.] / Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1993. - № 3-4.
2. Ш е н е ц, Л. В. Модернизация энергетической отрасли через энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии / Л. В. Шенец // Белорусский промышленный форум, 2007. Технологии. Оборудование. Качество: сб. материалов 10-го междунар. симпоз., 15-18 мая 2007 г. - Минск, 2007. - С. 25-26.
3. Л е в и, И. И. Моделирование гидравлических явлений / И. И. Леви. - Л.: Энергия, 1967. - 210 с.
4. Л я х т е р, В. М. Гидравлическое моделирование / В. М. Ляхтер, А. М. Прудов-ский. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 39 с.
5. Ш а р п, Д. Ж. Гидравлическое моделирование / Д. Ж. Шарп. - М.: Мир, 1984. -279 с.
6. А г р о с к и н, И. И. Гидравлика / И. И. Агроскин, Г. Г. Дмитриев, Ф. И. Пикалов. -М.; Л.: Энергия, 1964. - 352 с.
7. С п р а в о ч н и к по гидравлическим расчетам / под ред. П. Г. Киселева. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.
8. З е г ж д а, А. П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей / А. П. Зегжда. - М.; Л.: Госстройиздат, 1938. - 164 с.
9. В е н и к о в, В. А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики / В. А. Веников. - М.: Высш. шк., 1966.
10. П а н ф и л о в, Д. Ф. Моделирование давления и пропуска льда / Д. Ф. Панфилов // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство и архитектура. - 1964. - № 7. - С. 115-122.
11. П е т р у н и ч е в, Н. Н. О динамическом давлении льда на гидротехническое сооружение. Льдотермические вопросы в гидротехнике / Н. Н. Петруничев. - М.; Л.: Гидро-метеоиздат, 1954. - С. 17-64.
12. П р о п у с к льда через гидротехнические сооружения / под ред. К. Н. Коржавина. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 182 с.
Представлена кафедрой гидротехнического
и энергетического строительства Поступила 12.12.2008
