CC BY
21УДК 627.815.4
А.А. Сазонов, к.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» Ю.Е. Воронина, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КРУПНОТОННАЖНЫХ СУДОВ НА УЧАСТКЕ ЧАЙКОВСКИЙ ШЛЮЗ - КАМБАРКА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА КАСКАДА ВОТКИНСКОГО И КАМСКОГО ГИДРОУЗЛОВ
Ключевые слова: регулирование стока, каскад водохранилищ, нижний бьеф, Воткин-ская ГЭС.
В статье приводится анализ современного состояния участка Чайковский шлюз — Камбарка и результаты исследований по повышению его пропускной способности путем корректировки регулирования стока через каскад Камского и Воткинского водохранилищ. В общем виде приведены другие возможные варианты решений данного вопроса.
Ввод в эксплуатацию Камского и Воткинского гидроузлов (1954-1956 гг.) коренным образом изменил режим речного стока верхней Камы. И тем самым повлиял на габариты судового хода. Схема этого участка приведена на рис. 1.
Особо проблемным для судоходства стал участок нижнего бьефа Воткинской ГЭС от Чайковского шлюза до порта Камбарка, протяженностью 98 км, находящегося в безподпорном естественном состоянии, на котором имеется целый ряд затруднительных для судоходства перекатов, требующих производства дноуглубительных работ [1].
Кроме того, в результате естественных русловых процессов, свойственных для нижних бьефов гидроузлов, находящихся в безподпорном состоянии, за время эксплуатации Воткинского гидроузла произошло врезание дна (посадка уровня воды) примерно на 0,8-1,0 м. Все это требовало проводить большой объем дноуглубительных работ для поддержания заданных габаритов судового хода.
Так в период постепенного наполнения Воткинского водохранилища до отметки НПУ (1962-1965 гг.) на рассматриваемом участке нормируемая глубина судового хода постепенно увеличивается с 260 до 310 см, что потребовало большего объема дноуглубительных работ, в том числе в нижнем подходном канале к шлюзу, который в 1965 г. составил 4,4 млн. м3.
После наполнения Воткинского водохранилища до НПУ и ввода в 1966 г. гидроузла в постоянную эксплуатацию объем дноуглубительных работ резко уменьшился, который в 1966 году составлял 2,65 млн. м3. С 1966 по 1970 гг. с увеличением судоходной глубины с 320 до 330 см, объем дноуглубительных работ вновь вырос и в 1970 г. составил 3,9 млн. м3. По мере стабилизации русловых процессов к 1977 г. объем дноуглубительных работ снизился до 2,5 млн. м3 в год [2].
В 1982 г. нормируемая судоходная глубина на всем участке Чайковский шлюз -Камбарка была установлена равной 330 см, которая сохраняется до современного периода. А на участке Сарапул - Камбарка, протяженностью 28 км, нормируемая судоходная глубина составляла 400 см.
Рис. 1. Схема расположения Камского и Воткинского гидроузлов и водохранилищ на реке Кама
В период с 1978 по 1995 гг. объем дноуглубительных работ снизился до 1,0 тыс.м3. Однако в маловодные годы он вновь растет и достигает 350-500 тыс.м3. Вместе с тем падает и судоходная глубина. В маловодные 2010-2013 гг. судоходная глубина упала до 260 см, это привело к тому, что крупнотоннажные суда и составы могли эксплуатироваться только на 50-60% своей регистровой осадки. В результате произошли значительные потери провозной способности флота.
При этом необходимо отметить, что в начальный период эксплуатации Воткинского гидроузла поддержание проектного уровня 66,0 м.БС, при которой обеспечивается проектная глубина судового хода на участке Чайковский шлюз - Камбарка и на пороге Чайковского шлюза, было достаточным при расходе воды в створе Воткин-ской ГЭС 850-900 м3/с, то к началу 1990-х годов проектный уровень воды мог обеспечиваться только при расходе 1200-1250 м3/с.
В настоящее время для поддержания гарантированной глубины судового хода 3,3 м и глубины на нижнем пороге камеры Чайковского шлюза 3,5 м требуется уже расход воды в створе Воткинского гидроузла не менее 1300-1400 м3/с [3].
Проведенные нами исследования показали, что обеспечение гарантированных габаритов судового хода на участке Чайковский шлюз - Камбарка зависит от режимов работы тандема Камского и Воткинского водохранилищ [4].
Воткинское водохранилище не имеет достаточной полезной емкости для обеспечения потребных судоходных попусков в нижний бьеф Воткинского гидроузла. Поэтому основным регулятором, обеспечивающим потребные судоходные попуски, является Камское водохранилище.
Уровенный режим, а следовательно, и судоходные условия в нижнем бьефе Воткинского гидроузла, находящегося в бесподпорном состоянии, зависят от режима по-
пусков воды через Воткинскую ГЭС. Однако режим попусков в нижний бьеф зависит не только от сбросов воды из самого Воткинского водохранилища, но и определяется режимом регулирования вышележащим Камским водохранилищем [5].
Для рассмотрения вопроса возможности увеличения расхода воды в створе Вот-кинского гидроузла нами проведен анализ режимов наполнения и опорожнения Камского и Воткинского водохранилищ.
Анализ совмещенных режимов весеннего наполнения и преднавигационной сра-ботки показал общее увеличение объема воды на конец навигации выше УМО (100,0 м.БС и 84,0 м.БС соответственно для Камского и Воткинского водохранилищ). Причем в Камском водохранилище тенденция более ускорена (за последние 50 лет осредненный уровень воды предполоводной сработки повысился на 1,0 м, а в Воткин-ском - на 0,5 м). Однако в обоих водохранилищах уровни преднавигационной сработки не достигают УМО и превышают его на 1,5 м.
Из совмещенных графиков колебаний уровня воды по гидропостам верхний бьеф Камской и Воткинской ГЭС за маловодные годы прослеживается достаточная возможность повышения уровня воды в период наполнения, что позволяет предположить реальную возможность наполнения водохранилища до НПУ согласно «Правилам...» [6] . В течение навигации прослеживается достаточно большой разброс в отметках уровня воды, что не может быть объяснено какими-либо закономерностями использования водных ресурсов в течение навигации. Это говорит о нерациональном использовании водных ресурсов и необходимости упорядочения регулирования стока.
За период с 1965 по 2014 гг. по отчетным данным построены осредненные графики наполнения-опорожнения Камского и Воткинского водохранилищ (рис. 2, 3). Верхняя огибающая кривая соответствует максимальным уровням воды, а нижняя -минимальным.
Анализ этих графиков показывает относительно большой разброс в уровнях воды Камского водохранилища в осенний период. Ситуация с Воткинским водохранилищем более стабильна по границам колебаний уровня, что характеризует достаточно сильную зависимость нижнего водохранилища от верхнего. Разброс уровней воды в Камском водохранилище на конец навигации составляет 3,5 м, тогда как в Воткин-ском - 3,0 м. Максимальная амплитуда колебаний уровня воды по Камскому водохранилищу составляет 8,5 м, а по Воткинскому - 4,2 м. При практически одинаковых напорах Камское водохранилище использует воду более активно на нужды энергетики, что ярко видно из значительных амплитуд колебания уровней воды.
н. м.БС
март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь январь февраль
Рис. 2. Диспетчерский график наполнения-опорожнения Камского водохранилища (верхняя и нижняя огибающие кривые)
Н. м. БС
84 ---1-1--1-1-----
март апрель май июнь июль а в г.ст сентябрь октябрь ноябрь декабрь январь февраль
Рис. 3. Диспетчерский график наполнения-опорожнения Воткинского водохранилища (верхняя и нижняя огибающие кривые)
Представляет интерес в изыскании резервов воды в Камском водохранилище с целью их использования в Боткинском [7].
Прямая связь между реальными запасами воды в водохранилищах для регулирования стока в навигационный период и степени недосработки водохранилищ до отметок УМО за период 1995-2014 года прослеживается на рис. 4 (для Камского водохранилища) и на рис. 5 (для Боткинского).
W, ылн.ыЗ
95 2000 05 ю 2014
фактический объем водных ресурсов, допустимых к сработке во время навигации объем недосработки (до УМО+1м)
Рис. 4. Дополнительный объем водных ресурсов Камского водохранилища, допустимых к использованию во время навигации
Начиная с 2002 года Камское водохранилище постоянно имеет объем недосработ-
ки до указанной отметки УМО на 1,0 м. Однако Воткинское водохранилище этот показатель выдерживает на протяжении всего рассмотренного периода лет. Максимальная недосработка Камского водохранилища приходится на период 2005-2009 года, после чего показатели выравниваются. Ситуация с Воткинским водохранилищем -относительно стабильна и соответствует 200-400 км3 с небольшим уменьшением запасов воды. При этом практически во всех случаях, из-за недосработки обоих водохранилищ до указанной отметки, их регулирующая способность в полной мере не используется.
При сбросе дополнительного объема воды в течение навигации уровень воды в водохранилище будет уменьшаться, что повлечет за собой уменьшение отметки поверхности воды ниже минимальной навигационной сработки для конкретного водохранилища. Однако назначенные и действующие на данный момент значения отметок МНУ целесообразно изменить без дополнительных затрат и отрицательных последствий.
Рис 5. Дополнительный объем водных ресурсов Боткинского водохранилища, допустимых к использованию во время навигации
На основании выполненных исследований разработан типовой диспетчерский график регулирования стока Боткинского водохранилища с предлагаемой измененной отметкой МНУ=86,5 м.БС, который представлен на рис. 6.
III IV V VI VII VIII IX X XI XII I п Рис. 6. Типовой диспетчерский график регулирования стока Боткинской ГЭС
Регулирование стока по данному графику повышает стабильность выдерживания необходимых судоходных глубин в нижнем бьефе Боткинского гидроузла.
Таким образом, на основании проведенных исследований каскада Камского-Боткинского водохранилищ целесообразно решение следующих вопросов по увеличению их регулирующей способности.
- Предложить сработку Боткинского водохранилища в период навигации с учетом дополнительного среднесуточного расхода воды в подготовительный период до отметки 86,5 м.БС, что позволит увеличить регулирующую емкость водохранилища.
- Увеличить проектный навигационный расход воды через створ Камского гидроузла до 1200 м3/с при 95% обеспеченности данных сбросов с учетом дополнительного среднесуточного расхода в подготовительный период.
- Увеличить проектный навигационный расход воды через створ Боткинского гидроузла до 1300 м3/с при 95% обеспеченности данных сбросов за счет использования недосрабатываемого расхода воды из Камского водохранилища и с учетом дополнительного среднесуточного расхода в подготовительный период.
- Скорректировать внутригодовое распределение забора воды из Камского и Боткинского водохранилищ на посленавигационный период с учетом транспортной составляющей.
Однако это частичное решение проблемы судоходства на участке Чайковский шлюз - Камбарка, так как существующие в настоящее время габариты судового хода и глубина на пороге Чайковского шлюза не позволяют эксплуатацию крупнотоннажных судов и составов на полную осадку.
Для решения этого вопроса требуется увеличение судоходных глубин на всем участке от Чайковска до Камбарки и увеличение глубины на пороге Чайковского шлюза.
Как известно, увеличение судоходной глубины возможно только до каких-то пределов, определяемых гидравлически допустимой глубиной на конкретном рассматриваемом участке водного пути с учетом его характеристик.
Проведенные нами расчеты гидравлически допустимой глубины на участке Чайковский шлюз - Камбарка тремя существующими в настоящее время различными методами показали, что при наихудшем варианте она может составлять 4,6 м [8]. Это говорит о том, что на участке нижнего бьефа Боткинской ГЭС до Камбарки комплексом путевых работ на отдельных проблемных участках можно без особых сложностей добиться глубины судового хода 4,0 м. Однако проблема эксплуатации крупнотоннажных судов на этом участке полностью не решается ввиду невозможности их прохождения через нижние пороги Чайковского шлюза, глубина на которых составляет 3,5 м.
Чайковский судоходный шлюз входит в состав Боткинского гидроузла и имеет следующие характеристики.
Шлюз однокамерный, с двумя параллельными нитками, расположен у левого берега. Полезная длина каждой камеры 285,2 м, ширина 29,85 м; глубины на верхних порогах составляет 5,0 м при проектном уровне воды верхнего бьефа 87,0 м.БС; на нижних порогах - 3,5 м при проектном уровне 66,0 м.БС нижнего бьефа гидроузла. Для подхода к шлюзу с нижнего бьефа имеется подходной канал длиной 3900 м и шириной 80 м. Бнешний вид этого шлюза приведен на рис. 7.
Рис. 7. Бид Чайковского шлюза с нижнего бьефа
Бопрос возможности пропуска через Чайковский шлюз крупнотоннажных судов и составов может быть решен, по нашему мнению, следующими путями:
- строительством однониточного или двухниточного низконапорного полушлюза в нижнем подходном канале, который примыкает к нижней голове существующей камеры с понижением отметки нижнего порога полушлюза при увеличении судоходной глубины в подходном канале (рис. 8, 9);
- строительством двухниточного низконапорного шлюза в нижней уширенной части подходного канала Чайковского шлюза также с понижением отметки заложения нижнего порога шлюза (рис. 10).
Проектируемый полушлюз / Рис. 8. Схема компоновки однониточного полушлюза
Рис. 9. Схема компоновки двухниточного полушлюза
Автодорога
Чайковского шлюза Чайковского шлюза
Рис. 10. Компоновка основных сооружений проектируемого судоходного шлюза
Поскольку объем сливной призмы существующего Чайковского шлюза значительно больше объема сливной призмы нового низконапорного судоходного шлюза, то предусмотрена возможность сброса излишков воды из промежуточного бьефа между шлюзами в нижний бьеф предполагаемого низконапорного шлюза. Для этих целей используется водосброс автоматического действия.
Водосброс запроектирован в виде водослива практического профиля автоматического действия с отметкой порога, равной нормальной отметке межшлюзового бьефа
- 69,0 м.БС. В составе водосброса предусмотрены водобой и рисберма для гашения энергии потока и предотвращения размыва дна нижнего бьефа [9].
Водосброс располагается в нижней части напорного фронта промежуточного бьефа в створе нижней головы проектируемого шлюза.
Реализация любого из предложенных выше вариантов позволяет решить проблему судоходства крупнотоннажных судов на всем участке от Чайковского шлюза до Камбарки и их пропуска через судоходный шлюз с загрузкой на полную осадку.
Проблему повышения пропускной способности участка р. Кама Чайковский шлюз
- Камбарка можно осуществить и другими путями:
- повышением отметки НПУ Нижнекамского водохранилища до 68,0 м.БС;
- строительством низконапорного гидроузла примерно на 70 км ниже створа Вот-кинского гидроузла.
Однако, как показали предварительные расчеты, строительство низконапорного гидроузла встанет дороже как минимум в 5-8 раз.
Список литературы:
[1] Сазонов А.А. Характеристика судоходного состояния водных путей ЕГС европейской части России / А.А. Сазонов // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. -№ 29. - Н.Новгород: ВГАВТ, 2011. - 80-86 с.
[2] Сазонов А.А. Особенности руслового режима зоны переменного подпора камского водохранилища / А.А. Сазонов, В.К. Калюжный // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - N° 29. - Н.Новгород: ВГАВТ, 2011. - 93-98 с.
[3] Шестова М.В. Исследование трансформации попусков в нижних бьефах гэс и их влияние на объемы дноуглубительных работ / М.В. Шестова, Ю.Е. Воронина, А.Н. Ситнов, И.В. Липатов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - № 1. - Новосибирск, 2012. - 188191 с.
[4] Шестова М.В. Гидрологический режим нижних бьефов ГЭС и его влияние на условия судоходства: диссертация ... кандидата технических наук / М.В. Шестова. - Н. Новгород, 2006.
[5] Шестова М.В. Прогноз интенсивности русловых переформирований в нижних бьефах ГЭС / М.В. Шестова // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - № 18. -Н.Новгород: ВГАВТ, 2006. - 76-81 с.
[6] «Основные положения правил использования водных ресурсов Камского (Пермского) и Воткинского водохранилищ на р. Каме». - Москва, 1965.
[7] Фролов Р.Д. Гидравлический режим нижнего бьефа нижегородской ГЭС на Волге и организация судоходства // Р.Д. Фролов // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - № 8. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2004. - 83-89 с.
[8] Руководство по методам расчета планирования и оценке эффективности путевых работ на свободных реках. - М.: Транспорт, 1978.
[9] СНиП 12-07-86. Судоходные гидротехнические сооружения. - М.: Издательство стандартов, 1986.
THE RESEARCH RESULTS OF LARGE SHIPS CARRYING CAPACITY INCREASE POSSIBILITIES AT A SECTION OF TCHAIKOVSKY CANAL-LOCK - KAMBARKA BY IMPROVING RIVER FLOW CASCADE REGULATION ON VOTKINSK AND KAMSK HYDROELECTRIC POWER PLANTS
A.A. Sazonov, J.E. Voronina
Keywords: flow regulation, reservoirs cascade, downstream pool, Votkinsk hydroelectric power station.
The authors analyze current state of the site Tchaikovsky canal-lock — Kambarka and provide the results of research dealt with improving its carrying capacity by the regulation of the flow through a cascade of Kamsk and Votkinsk reservoirs. Other possible solutions to this issue are also listed in the article.
Статья поступила в редакцию 06.07.2016 г.
УДК 627.81.556.55
А.Н. Ситнов, д.т.н., проф., зав. кафедрой ФГБОУВО «ВГУВТ» Н.В. Кочкурова, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Д.А. Мильцын, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ БАЛАНСОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ВОДОХРАНИЛИЩА НИЖЕГОРОДСКОГО НИЗКОНАПОРНОГО ГИДРОУЗЛА
Ключевые слова: режим работы водохранилища, показатели водохозяйственных расчетов.
В статье приводятся результаты расчетов обеспеченности основных водохозяйственных показателей по зоне водохранилища Нижегородского низконапорного гидроузла в текущем состоянии и на перспективу, а также диспетчерские графики работы водохранилища при различных условиях водности.
Согласно «Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года» в качестве одного из основных мероприятий планируется реализация проектов строительства новых гидротехнических сооружений для ликвидации «узких мест» на Единой глубоководной системе Европейской части России. Одним из таких проблемных для судоходства мест является участок реки Болга
