CC BY
30
Гидротехническое строительство
УДК 502/504 : 532.001.5:627.83 П. А. МИХЕЕВ, В. А. ХРАПКОВСКИЙ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ И БЕЗОПАСНОСТЬ РАБОТЫ ВОДОСБРОСНОГО СООРУЖЕНИЯ КРАСНОДАРСКОГО ГИДРОУЗЛА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Дана оценка сопряжения бьефов в современных условиях эксплуатации водосброса, характеризующихся значительным понижением уровня воды в реке Кубань. Получены графические зависимости, позволяющие определить диапазон изменения расходов, напоров, схему работы, при которых обеспечиваются нормальные условия эксплуатации сооружения. Определены величины расходов и напоров, при которых возникает отгон гидравлического прыжка и угроза безопасности сооружения.
Сопряжение объектов, безопасность работы водосбросного сооружения, Краснодарский гидроузел, грунтовая плотина, водоснабжение населения, Кубанский водохозяйственный комплекс.
There is given an estimation of the upstream and downstream transition of the weir dam operation under the present conditions characterized by a considerable decrease of water level in the river Kuban. Graphical dependencies have been obtained which allow determining a range of discharge and weir heads changes, an operational scheme ensuring normal conditions of the waterworks operation. Quantities of discharges and heads are determined under which there is arising a driving away of the hydraulic jump and threat to the structure safety.
Conjunction of objects, safety of the weir dam operation, the Krasnodar hydraulic works, ground dam, the population water supply, the Kuban water economy complex.
Краснодарское водохранилище, тации. Это водохранилище, являясь
расположенное в среднем течении реки составной частью Кубанского водохо-
Кубань, выше города Краснодара, с зяйственного комплекса, обеспечива-
1975 года, после завершения строитель- ет защиту низовий Кубани от навод-
ства, находится в постоянной эксплуа- нений, гарантированную подачу воды
на оросительные системы, улучшает водоснабжение населения края и условия судоходства.
В состав Краснодарского гидроузла входит грунтовая плотина, водосбросное сооружение и судоходный шлюз. Конструктивно водосбросное сооружение состо-
ит из четырех пролетов шириной по 10 м водосливной плотины, на гребне которой установлены плоские затворы (рис. 1). Водосбросное сооружение относится ко II классу, рассчитано на пропуск расчетного расхода 1 % обеспеченности, равного 1 250 М/с, и поверочного расхода 15 00 М/с.
Рис. 1 Схема водосбросного сооружения: 1 - пролеты водосливной плотины; 2 - водобойный колодец; 3 - рыбоподъемник; PB, Рн — высота водослива соответственно в верхнем и нижнем бьефах; Н — напор на водосливе при полном открытии затвора; а - открытие затвора; Е -геометрический напор воды в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа; Е - напор воды в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа с учетом скорости подхода воды V0; V0 - скорость подхода воды в верхнем бьефе; h - сжатая глубина; h - глубина, сопряженная сжатой; h -глубина воды в колодце, необходимая для затопления прыжка; d - глубина водобойного колодца; l - длина водобойного кольца; а - корректив кинетической энергии; V - скорость подхода воды в нижнем бьефе; g - ускорение силы тяжести; AZ - геометрический перепад уровней воды на выходе из колодца; AZ0 - полный перепад уровней воды на выходе из колодца с учетом скоростного напора; h0 - глубина воды (бытовая) в нижнем бьефе, соответствующая бытовым условиям; Е-Е - напорная линия, или линия полной удельной энергии
В состав водосброса входит рыбоподъемник, разделяющий водосливной фронт, водобой и часть рисбермы на две части. Выходная часть сооружения имеет непризматическую форму с центральным углом расширения боковых стенок 22°50'. Для обеспечения сопряжения бьефов по типу затопленного гидравлического прыжка запроектирован расширяющийся водобойный колодец глубиной й = 2,80 м и длиной I = 66,5 м.
кл 7 ^ кл 7
Вода, прошедшая через водосбросное сооружение, отводится в реку Кубань по отводящему трапецеидальному каналу шириной по дну 150 м и длиной 650 м.
После перекрытия реки Кубань в ноябре 1972 года почти на стокилометровом участке реки ниже гидроузла был нарушен естественный ход русловых процессов. Объем ежегодного поступления твердого стока в нижний бьеф Краснодарского гидроузла после его возведения уменьшился более чем в 2030 раз, а мутность воды - более чем в 10 раз. В результате нарушения русловых процессов, увеличения размывающей способности «осветленного» потока произошло значительное понижение базиса эрозии и понижение уровней воды в реке Кубань ниже гидроузла при одинаковых расходах, причем наиболее интенсивным наблюдалось понижение уровней в первые четыре года. В последующие годы интенсивность падения уровней уменьшилась и составляла от 0,1 до 0,05 м в год. По информации на июль 2004 года, понижение уровней воды составило при расходах 800...1500 м3/с более 1,80 м.
В результате понижения уровня воды в реке Кубань и в нижнем бьефе водосбросного сооружения произошли существенные изменения условий сопряжения потоков и работы рыбопропускного сооружения. Оценка негативного влияния понижения уровней в нижнем бьефе на ухудшение условий привлечения рыб к рыбопропускному сооружению и некоторые предложения по оптимизации его конструкции и
режимов управления течениями в зоне поисков рыб имеются в работах В. В. Ванжа, П. А. Михеева, М. А. Чеботарева, А. А. Чистякова, В. Н. Шкура, в которых отмечается, что при современных условиях возможность оптимизации параметров привлечения и накопления рыб крайне ограничена.
Опыт эксплуатации водосбросного сооружения в современных условиях, характеризующихся значительным понижением уровней воды в нижнем бьефе, показывает ухудшение гидравлического режима работы выходной части вследствие уменьшения затопления гидравлического прыжка в водобойном колодце. При пропуске расходов более 800 м3/с в нижнем бьефе наблюдается форма сопряжения, близкая к критической, когда начало гидравлического прыжка приближается к сжатому сечению, расположенному у подошвы водосливной плотины. При неблагоприятных условиях (высоких уровнях воды в верхнем бьефе) наблюдается начальная стадия отгона гидравлического прыжка, которая, как показали постановочные опыты в Новочеркасской государственной мелиоративной академии (2007), при дальнейшем незначительном понижении уровня может привести к быстрому неуправляемому отгону гидравлического прыжка за пределы водобойного колодца.
Снижение эффективности работы водобойного колодца, неполное гашение избыточной кинетической энергии потока обусловили образование местных размывов в нижнем бьефе - рисбермы и отводящего канала. Ремонтно-восста-новительные работы в нижнем бьефе сооружения велись неоднократно. В 2002-2003 годах при ремонте была сделана попытка улучшить условия для затопления гидравлического прыжка за счет устройства каменной наброски, однако значительная часть объема наброски была размыта и перенесена потоком вниз по течению.
В связи с тревожной ситуацией, связанной с обеспечением надежности
в работе водосбросного сооружения и повышением его класса с II на I, были выполнены гидравлические расчеты сопряжения бьефов с учетом фактических изменившихся условий эксплуатации сооружения. Исследования по научному обоснованию и оценке условий работы нижнего бьефа водосбросного сооружения Краснодарского гидроузла при пропуске «высоких» сбросных расходов и низких уровнях воды до настоящего времени не проводились.
В зависимости от условий эксплуатации водосбросное сооружение может работать по одной из двух схем - схеме истечения через водослив (при полном открытии затворов) и комбинированной схеме - истечения из-под щита, установленного на оголовке водосливной плотины (при частичном открытии затворов). Условия сопряжения потоков в нижнем бьефе водосброса являются пространственными, обусловленными разными формами и размерами водосливных отверстий и отводящего русла. Основой для расчетов явились основные зависимости теории сопряжения бьефов инже-
нерной гидравлики и данные натурных измерений фактических глубин в нижнем бьефе при пропуске различных расходов. Расчет сопряжения потоков в нижнем бьефе водосбросного сооружения Краснодарского водохранилища выполнен при пропуске расходов 80, 240, 320, 640, 800, 1000, 1250, и 1500 м3/с.
Анализ результатов аналитических расчетов позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Условия сопряжения потоков в нижнем бьефе являются пространственными, определяются конструкцией выходной части, непризматической формой водобойного колодца и гидравлическими характеристиками потоков. Графические зависимости, обобщающие результаты аналитических расчетов, представленные на рис. 2, позволяют определить условия сопряжения бьефов при эксплуатации гидроузла, оценить надежность работы сооружения и в определенной степени оптимизировать условия сопряжения и пропуск повышенных расходов за счет изменения схемы работы сооружения.
Рис. 2. График зависимости условий сопряжения потоков в нижнем бьефе водосбросного сооружения: 1 - кривая Н6 = f(Q) фактических глубин в нижнем бьефе на 06.2004 года; 2 - кривая Н = f(Q) напоров в верхнем бьефе при работе по схеме истечения через водослив; 3, 4 - кривые Н = f(Q) предельных напоров в верхнем бьефе при работе сооружения по схеме истечения из-под щита, при которых фактические глубины Н6 обеспечивают затопление прыжка с а = 1,10 и а = 1,00; Q - расход воды; УВВБ - уровень воды верхнего бьефа
2. На условия сопряжения бьефов оказывает влияние положение уровня воды в верхнем бьефе (величина напора), величина расхода, принятая схема работы сооружения и величина открытия затворов.
Изменение гидравлической схемы работы сооружения - истечение через водослив на истечение из-под щита при пропуске одинаковых расходов приводит к ухудшению условий сопряжения.
3. При работе сооружения по схеме истечения через водослив фактические бытовые глубины воды в нижнем бьефе сооружения Нб обеспечивают затопление гидравлического прыжка при пропуске всех расходов, но коэффициент затопления прыжка с увеличением расходов уменьшается и становится меньше предельно допустимого а = 1,10 при расходах более 920 м3/с. При максимальном расходе Q = 1500 м3/с и фактической глубине Нб = 7,82 м коэффициент а = 1,02, а дефицит глубины Нб для надежной формы сопряжения с а = 1,10 составляет 0,83 м. На кривой 2 напоров в верхнем бьефе Н= f(Q) для этой схемы работы сооружения нанесены численные значения коэффициентов затопления гидравлического прыжка.
4. При работе сооружения по схеме истечения из-под щита условия сопряжения ухудшаются и зависят от положения уровня воды в верхнем бьефе и величины расхода, причем наиболее тяжелыми они будут при пропуске расходов при максимальной отметке V = 35,50 м. Например, при условии поддержания уровня в верхнем бьефе на V = 35,50 м фактические глубины в нижнем бьефе обеспечивают надежное затопление прыжка с а > 1,10 только при расходах до 380 м3/с, при расходе 710 м3/с наблюдается критическая форма сопря-
жения, а при больших расходах прыжок будет отогнан. При максимальном расходе Q = 1500 м3/с дефицит h6 для обеспечения надежного затопления прыжка с а = 1,10 составляет 1,57 м.
5. На графике выделены три области возможных условий и надежности работы сооружения:
а) область 5 - область возможного регулирования расходов и уровней воды в верхнем бьефе, в которой фактические глубины в нижнем бьефе обеспечивают безопасную работу сооружения с коэффициентом затопления прыжка а > 1,10;
б) область 6 - область работы сооружения, в которой фактические глубины h- недостаточны для безопасной работы сооружения, так как коэффициент затопления прыжка в этой области становится меньше допустимого и находится в пределах а = 1,10.. .1,00;
в) в области 7 гидравлический прыжок будет отогнан, поэтому работа сооружения в таких условиях является недопустимой из условий безопасности.
Для разработки научно обоснованных рекомендаций по повышению надежности работы водосбросного сооружения и эксплуатации сооружений Краснодарского гидроузла в условиях пропуска повышенных сбросных расходов воды и значительном понижении уровня воды в реке Кубань необходимы комплексные лабораторные исследования.
Материал поступил в редакцию 30.04.09. Михеев Павел Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Гидротехнические сооружения» Тел. 8 (8635) 22-30-18 E-mail: micheepa@yandex.ru
Храпковский Виктор Абрамович, кандидат технических наук, доцент, ст. научный сотрудник
Тел. 8 (8635) 22-26-96
