ОСОБЕННОСТИ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РУСЛА НА УЧАСТКАХ НИЖНИХ БЬЕФОВ ГЭС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 627.422

М.В. Шестова. асистент, ВГАВТ. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ОСОБЕННОСТИ РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РУСЛА НА УЧАСТКАХ НИЖНИХ БЬЕФОВ ГЭС

В данной работе приведены результаты анализа русловых переформирований в нижних бьефах трех гидроузлов: Нижегородской ГЭС (р. Волга), Новосибирской ГЭС (р. Обь) и Волгоградской ГЭС (р. Волга). Отмечены основные особенности гидрологического режима и организации судоходства на исследуемых участках. Рассмотрены методы стабилизации русла на участках нижних бьефов ГЭС с учетом зарубежного опыта.

Комплексные гидроузлы на реках оказывают большое влияние на состояние естественных водных путей. С вводом в эксплуатацию гидроузлов и водохранилищ, регулирующих речной сток, создаются новый гидрологический и русловой режимы; меняется интенсивность и характер русловых процессов. Регулирование стока гидроузлами вносит изменения в путевые и судоходные условия рассматриваемой реки, особенно в нижних бьефах.

При составлении прогноза деформации русла представляет интерес сопоставление нескольких нижних бьефов со сходными гидрологическими, гидравлическими и грунтовыми условиями. Для этого наряду с разработкой уточненных методов расчета деформации русла необходимо проведение многолетних систематических натурных исследований русловых процессов в нижних бьефах нескольких гидроузлов.

В результате этих исследований должны быть освещены следующие вопросы:

- динамика развития внутригодовых и многолетних процессов размыва русла и отложений наносов в нижнем бьефе гидроузла как на участке, непосредственно примыкающем к сооружению (приплотинном), так и на значительной длине бьефа;

- влияние русловых переформирований и изменения уровней в нижнем бьефе на условия работы элементов гидроузла, в том числе на условия судоходства в нижнем бьефе;

- влияние неустановившегося движения при суточном регулировании мощности ГЭС на русловые процессы в нижнем бьефе;

- динамика изменения транспортирующей способности потока по длине бьефа в процессе эксплуатации гидроузла; увеличение крупности руслообразующих наносов и материала, слагающего русло; влияние выше перечисленных факторов на устойчивость, а, следовательно, и на процесс стабилизации русла в нижних бьефах ГЭС.

При этом необходимо отметить, что по истечении времени возможна как естественная, так и искусственная стабилизация русла. Первая характеризуется естественными условиями протекания русловых процессов, когда характер и интенсивность деформаций русла определяются только природными факторами и работой ГЭС. Длительность ее может составлять от 50 до 100 лет. Искусственная же стабилизация русла возможна при активном вмешательстве человека в процесс русловых переформирований. Продолжительность ее гораздо меньше и зависит от применяемых методов и конкретных условий.

Проведение подобных исследований в комплексе с теоретическими и лабораторными исследованиями в этой области позволит внести необходимые коррективы в

методику расчета русловых переформирований и разработать практические рекомендации по прогнозированию русловых процессов в нижних бьефах речных гидроузлов

Для комплексного анализа русловых переформирований сопоставлены результаты исследований трех нижних бьефов: Нижегородской ГЭС (р. Волга), Новосибирской ГЭС (р. Обь) и Волгоградской ГЭС (р. Волга), общим для которых является наличие свободного (неподпертого) нижнего бьефа (рис. 1).

Особенностью неподпертых гидроузлов является то, что в маловодные годы в ограниченных условиях суточного и недельного регулирования мощности ГЭС возможны существенные изменения режима судопропуска по длине участка нижнего бьефа. На условия судоходства в данном случае влияет режим движения перемещающейся по бьефу волны пот ека, которая определяет переменные по длине участка и времени суток глубины судового хода. В свою очередь, возможные деформации русла реки вследствие зарегулированное™ стока могут несколько изменить режим движения волны попуска, что негативно сказывается на судоходну ю обстановку. Примером может послужить нижний бьеф Нижегородской ГЭС, на котором в маловодный 1996 год крупнотоннажный флот мог проходить по участку от г. Городца до г. Балахна только на волне попуска. Причем повышенные навигационные потеки обеспечивались не каждый день, а 2-3 дня в неделю. В остальные дни ГЭС работала в режиме поддержания минимально допустимого уровня воды в нижнем бьефе в течение 24 часов в сутки со среднесуточным расходом воды О ; 850 м3/с при проектном 1100 м3/с. Достаточно сложные судоходные условия наблюдаются и в нижних бьефах Новосибирской и Волгоградской ГЭС.

р.Томь

гл. "Кожевникове" (225 км от створа | ГЭС)

гл."Кругл иково" (160 км от створа |/ ГЭС) 'т р.Обь

г.п'Дубровино" |. (110 км от '

створа ГЭС)

г\п."Новосибирск"

(20 км от створа ГЭС)

Новосибирское водохранилище

створ плотины (Окм)

а) Нижний бьеф Новосибирской ГЭС (р. Обь) до впадения р. Томи. 306 км

ище Волжская ГЭС им.22 съезда КПСС

г.п."Створ №3" (Окм)

р.Волга

7

I гл. "Городец" (6 км от створа ГЭС)

vi

/Г.П.1

"Балахна"

I 26 км от створа ГЭС)

\„ \J(5

г.п."Сормово" (50 км от атвора ГЭС)

от створа ГЭС Волгоград

20 км 1

50 км 1 Красноармейск

75 км | Светлый Яр

150км | Каменный Яр

225км | Черный Яр

375 км | Енотаевка

400км 1 Сероглазка

470 км Верхнелебяжье

Нижнелебяж^ ХСеногтункт

р. Ока

гл.Торький" (60 км от створа ГЭС)

б)Нижний бьеф Нижегородской ГЭС (р. Волга) - до впадения р. Оки - 60 км.

Новолесно

Бвпячныи Красный яр

Астрахань 525 км

в) Нижний бьеф Волгоградской ГЭС (р.Волга) - 470 км.

Рис 1 Схемы нижних бьефов гидроузлов

Качественно новой особенностью динамики потока, свойственной только нижним бьефам ГЭС, является его «инерционность», проявляющаяся при изменении транспортирующей способности потока по его дтине. Данное положение подтверждается анализом изменения транспортирующей способности потока на приплотинном участке нижнего бьефа Нижегородской ГЭС (рис. 2), где показаны: изменения площади поперечного сечения русла, определенная по планам русловых съемок за 1957 год -И'1957 г.: кривая, соответствующая транспортирующей способности потока в естественных условиях (1950 год) - Рест1950 г; и кривая, характеризующая фактическую

степень насыщения потока наносами - Рфакт1957 г.. Для определения характера изменения кривой Рфакт1957г. была применена следующая зависимость [1]:

Р = сх

(V Л ср Л {d'

W

м3/сут м (1)

где w— гидравлическая крупность частиц наносов, м/сек;

Q - расход воды; в данном случае принят за проектный 1100 м3/сек; с - постоянный коэффициент, по Кнорозу В. С. равный 0.006;

d- средневзвешенный диаметр частиц наносов, м;

R - гидравлический радиус сечения, который можно принять равным средней глубине Тер, м.

Формула (1) Леви И. И. - Кнороза В. С. наиболее наглядно может проиллюстрировать качественное изменение величины транспортирующей способности потока как максимального объемного расхода взвешенных наносов, соответствующего предельному насыщению потока наносами.

Процесс, протекающий в нижнем бьефе, можно описать следующим образом. Поток, поступающий из водохранилища, является осветленным, т. е. лишенным русло-формирующих наносов. Транспортирующая способность такого потока максимальна, но степень фактического насыщения наносами в створе плотины равна нулю. В связи с этим можно отметить следующие моменты: по мере удаления от ГЭС происходит насыщение потока за счет глубинной и боковой эрозии русла; на каком-то расстоянии от створа плотины количество переносимых наносов будет соответствовать естественной (отвечающей его энергетической возможности) величине транспортирующей способности потока (т. А): а затем происходит «инерционное» перенасыщение (перегрузка) потока наносами. Следствием этого является последующая аккумуляция части наносов на нижележащем участке (т. В). По мерс выработки емкости в русле ниже ГЭС, ослабляющей размывающую способность потока, зона размыва, также как и зона аккумуляции, смещается вниз по течению. В данном случае зона аккумуляции наносов была зафиксирована на расстоянии 2300 м от створа ГЭС (1957 год), что соответствует данным исследований А. Б. Вскслсра [2].

Распространение этого процесса значительно изменило картину распределения наносов и привело к общему увеличению их крупности. Средний диаметр в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС увеличился с 0.4 мм (в естественном состоянии) до 1.2 мм (1982 г.); в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС с 0.275 мм до 0.51 мм (1986 г.). Эти данные позволили проследить динамику изменения коэффициентов устойчивости во времени, являющихся показателем по существу естественной стабилизации русла. Анализ показал, что из категории слабо устойчивых за время эксплуатации нижнего бьефа Нижегородской и Новосибирской ГЭС русло можно отнести к категории устойчивого.

Одним из последствий регулирования стока в условиях дефицита наносов, повышенной турбулентности и неустановившегося движения потока является общее понижение («посадка») уровня воды. Данный процесс обусловлен изменением геометрических и гидравлических характеристик русла реки (то есть трансформацией русла) и влечет за собой изменение связей расходов и уровней. Анализ изменения связи H=f(Q) показал, что величина посадки уровня воды в нижнем бьефе (в створе плотины) Нижегородской ГЭС составила 93 см (1956-1985 гг.) и 120 см (1957-1999 гг.), Волгоградской ГЭС - 150 см (1959-1985 гг.) и Новосибирской ГЭС - 162 см (1957-1982 гг.). Наиболее значительная величина посадки наблюдается в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС. Объясняется это тем, что на естественный процесс

трансформации русла существенное влияние оказали карьерные разработки, проводимые в русле р. Оби на примыкающем к ГЭС 30-километровом участке нижнего бьефа в период с 1960 по 1982 гг. По оценке специалистов ВНИИГ им. Веденеева Б. Е. понижение уровня воды, приходящееся на долю карьерных извлечений грунта, составило 95 см, т. е. 60 % от общей величины посадки [2]. При отсутствии же карьерных разработок понижение уровня в створе Новосибирского гидроузла могло быть 60-70 см.

При анализе трансформации кривой свободной поверхности воды на участке нижнего бьефа ГЭС помимо влияния факторов глубинной эрозии и карьерных разработок на снижение уровня воды необходимо учитывать искусственное понижение судоходного проектного уровня с целью поддержания или увеличения гарантированной глубины. Например, в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС при проектной отметке + 110 см, установленной в 1962 г., обеспеченность его снизилась с 95.6 % до 84.0 %. В результате проектный уровень сначала был понижен до +90 см, а к 1983 г. - до +80 см с обеспеченностью 94.3 %. Величина же искусственного понижения уровня составила 30 см. Таким образом, очевидна необходимость корректного учета влияния всех факторов зарегулированности стока и, в первую очередь, проведения карьерных разработок в русле, если таковые планируются.

Вторым проявлением переформирований русла реки явилось изменение его параметров в плане. Для нижнего бьефа Нижегородской ГЭС характерен побочневый тип руслового процесса и относительно стабильное положение бровок берегов. В итоге была установлена динамика изменения величин шага побочней и осредненная для участка скорость смещения побочней вниз по течению [3]. В естественных условиях (1940-1950 гг.) для данного участка шаг побочней был относительно стабильный и изменялся в диапазоне 1050-1100 м при скорости их смещения 70-80 м/год. К 1970 году произошло резкое увеличение шага побочня - до 1200 м, а скорости - до 150 м/год; затем отмечено их снижение и последующая стабилизация. Данный процесс сопровождался уменьшением длин плесовых лощин и увеличением числа затруднительных для судоходства перекатов.

Для нижних бьефов Волгоградской и Новосибирской ГЭС присуща пойменная многорукавность. Здесь, помимо вертикальных деформаций получили развитие деформации русла в плане. Существенное перераспределение расхода воды по сезонам года активизировало процесс развития - размыва отдельных рукавов и отмирания других. Нестабильность динамической оси потока в плане привела к периодическим изменениям положения фарватера, усложнив тем самым производство дноуглубительных работ и условия судоходства.

Таким образом, анализ русловых переформирований на примере данных гидроузлов показал необходимость рассмотрения проблемы деформации нижних бьефов для обеспечения безопасности судоходства, осуществляемого в условиях нижних бьефов гидроузлов.

Несмотря на явное наличие проблем судоходного состояния нижних бьефов комплексных гидроузлов в отечественной практике нет опыта как естественной, так и искусственной стабилизации русла в нижних бьефах. Исключением может быть только нижний бьеф Нижегородской ГЭС, где по оценке специалистов процесс естественной стабилизации русла может завершиться к 2005 году.

За последние годы также выполнено большое количество исследований зарубежными учеными. В том числе, проведен большой комплекс работ по изучению реки Рейна ниже плотины Иффецхайм (Германия), реки Висла ниже плотины Влоцлавек (Польша), на реке Колорадо ниже плотины Гувер, на реке Нил ниже Асуанской плотины.

о

Сч

Зон« «ккумупяцми намойо*

со, и

Рест1950 - транспортирующая способность потока в естественных условиях (1950 год); \V1957 - площадь поперечного сечения русла, определенная по данным 1957 г.: Рфакт1957=ч« - степень насыщения потока наносами, равная объемному максимальному расходу взвешенных наносов.

Рис. 2. Динамика изменения транспортирующей способности потока на приплотинном участке нижнего бьефа Нижегородской ГЭС

Наиболее эффективным пока можно назвать метод увеличения мутности потока путем искусственной подпитки потока зернистым материалом, применяемый на реке Рейн ниже плотины Иффецхайм (Германия) [4], который может послужить примером искусственной стабилизации русла.

Искусственная подпитка зернистым материалом р. Рейн в нижнем бьефе гидроузла Иффецхайм была начата в 1978 году в порядке эксперимента. Отсыпкой предполагалось исключить глубинную эрозию русла и посадку уровня воды. Показав положительный результат в испытательный период, данный метод стабилизации русла продолжает применяться с 1981 года.

За 14 лет (1978-991 гг.) в речной поток внесено примерно 2.1 млн. м5 песчано-гравийной смеси. Наносный материал вводился в зоне, где повышена транспортирующая способность речного потока и наблюдается глубинная эрозия. На протяжении 2.5 км участок Рейна с повышенной эрозией русла заполнялся зернистым материалом таким образом, чтобы было гарантировано естественное движение донного материала на нижележащем участке Рейна. Результатом этого стало повышение отметок дна по сравнению с 1978 г., что прослеживается при анализе изменения поперечного сечения русла в районе проводимых работ (рис. 3). Выгрузка гравийно-песчаной смеси производилась с помощью грунтоотводных шаланд.

Прогнозировалось, что без подпитки потока зернистым материалом посадка уровня воды ниже ГЭС могла достигнуть 2 м, что парализовало бы работу шлюза. Фактически величина посадки уровня воды не превысила допустимых значений.

Результатом применения данного метода стал отказ от строительства плотины ниже рассматриваемого гидроузла, поскольку меры по насыщению потока наносами оказались достаточно эффективными для предотвращения эрозии русла.

Достоинство метода стабилизации русла с помощью подпитки потока состоит также в том, что:

- в любой момент объемы подпитки могут быть уменьшены или прекращены вообще без каких-либо отрицательных экологических последствий;

- работы по отгрузке материала не оказывают отрицательного воздействия на безопасность судоходства.

Заполняемая зона

Область размыва вследствие боковой эрозии

Рис 3. Поперечное сечение русла реки Рейн ниже плотины Иффецхайм в районе работ

............ Пазовое дно (1976 г.)

_ . _ Дно в начале подпитки (1978 г) _____ Положение дна в 1991 г.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

- трудоемкость реализации данного метода, которая заключается в том, что песок соответствующей крупности должен заблаговременно заготавливаться на береговых складах, позволяющих практически круглосуточно осуществлять его доставку к конкретным створам реки;

- значительные единовременные и последующие затраты;

- отсутствие возможности увеличения судоходной глубины;

- возможная интенсификация процесса размыва и посадки уровня воды в случае прекращения подпитки потока наносами.

Список литературы

[1] Векслер А. Б., Доненберг В. М. Переформирования русла в нижних бьефах крупных ГЭС. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -216 с.

[2] Векслер А.Б., Доненберг В.М. Опыт оценки трансформации русла рек в нижних бьефах гидроузлов. Известия ВНИИГ им Б.Е. Веденеева, том 230. С-П6..1997.

[3] Фролов Р.Д. Русловой режим нижних бьефов ГЭС. Современное состояние водных путей и проблемы русловых процессов. Сборник статей. - М.: 1999.

[4] Kühl, D. 14 years artificial grain feeding in the Rhine downstream the barrage Iffezheim Federal Waterway and Shipping Administration, Waterway and Shipping Office Freiburg, Germany// 5th international symposium on river sedimentation, Karlsruhe 1992.

FEATURES BED OF PROCESSES AND METHODS STABILIZATION OF THE CHANNEL ON SITES BOTTOM POOL HYDROELECTRIC POWER STATION

M. V. Sh est ova

In the given work results of the analysis bed rearrangements in bottom lock pool three hy-drounits are resulted: the Nizhniy Novgorod hydroelectric power station (river Volga), Novosibirsk hydroelectric power station (river Ob) and the Volgograd hydroelectric power station (river Volga). The basic features of a hydrological mode and the organization of navigation on researched sites are marked. Methods of stabilization of a channel on sites bottom pooI hydroelectric power station are considered in view of foreign experience.

УДК 627.8:691.32

В.П. Куликов, к.т.н., доцент.

Р.П. Лобанцев, аспирант, ВГАВТ.

603005, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БЕТОНА В СВОБОДНО ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПЛИТЕ КОНТРФОРСНОЙ ПЛОТИНЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДАВЛЕНИЯ ПОРОВОЙ ВЛАГИ

Рассматривается возможность определения напряженного состояния бетона, путем получения аналитических зависимостей для расчета напряжений в бетоне плиты при воздействии давления поровой влаги (воды и льда).

Плиты напорных перекрытий контрофорсных плотин находятся в сложных условиях эксплуатации. В теплый период года вода фильтрует через бетон из верхнего