CC BY
14
УДК 626.823.92
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ ВОДОСЛИВНЫХ ПЛОТИН ГРОДНЕНСКОЙ ГЭС
Канд. техн. наук, доц. КРУГЛОВ Г. Г., инж. КОРЕВИЦКИЙ Г. А.
Белорусский национальный технический университет
Высокая стоимость импортируемых энергоресурсов и электроэнергии, дефицит валютных средств для расчетов за энергоресурсы, а также стремление к максимальной независимости от импорта топлива обусловливают необходимость развития в Республике Беларусь собственной гидроэнергетики.
За последние десять лет в республике накоплен опыт строительства ГЭС на малых реках. Имеются благоприятные условия для создания ГЭС на крупных реках Западная Двина и Неман. Использование низконапорного оборудования, а также удобные створы позволяют устанавливать не превышающие уровней паводковых вод отметки нормального подпорного уровня (НПУ) водохранилищ, тем самым сокращая размеры подтопленных или затопленных земель.
Однако при пропуске паводка из-за небольшого перепада между НПУ и уровнем паводковых вод в нижнем бьефе требуется строительство водосливных плотин с большой длиной водосбросного фронта, а это влечет значительное увеличение объемов строительных работ. Частично решить эту проблему можно с помощью двухъярусных сооружений, в результате чего уменьшаются объемы строительных работ за счет сокращения длины водосбросного фронта гидроузла, кроме того, они улучшают условия пропуска паводка, строительных расходов сброса льда, позволяют уменьшить размеры и вес затворов. Донные отверстия могут быть использованы для промыва наносов, полезных попусков и опорожнения водохранилища.
В настоящее время ведутся проектные работы Гродненской ГЭС. В состав ее сооружений входит бетонная двухъярусная водосливная плотина (рис. 1).
Между тем, методика гидравлических расчетов двухъярусной водосливной плотины разработана недостаточно: при определении пропускной способности двухъярусной водосливной плотины, как правило, верхний ярус рассчитывается как поверхностный водослив, нижний ярус - как короткая труба. Общий расход двухъярусного водослива определяется суммой расходов верхнего и нижнего ярусов. Однако, как установлено в [1, 2], фактический расход превышает расчетный в среднем на 20 %.
В связи с тем, что указаний по расчетам двухъярусных плотин не существует, а также учитывая, что водосбросная плотина должна обеспечить пропуск значительных паводковых расходов (расчетный паводок 3%-й обеспеченности - 2250 м3/с, поверочный 0,5%-й обеспеченности - 3280 м3/с), льда, а также надежное сопряжение бьефов, потребовались гидравлические исследования на модели. Они были проведены в лаборатории кафедры «Гидротехническое и энергетическое строительство» БНТУ.
Выполненные исследования показали, что расчетный паводковый расход через один пролет составляет 281,25 м3/с (2250 м3/с - через восемь пролетов) и проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе (ВБ) 102,23 м. Отметка уровня воды в нижнем бьефе (НБ) - 101,75 м. Таким образом, перепад между уровнями воды в ВБ и НБ составил Д^ = 0,48 м, вместо расчетного 0,75 м.
Рис. 1. Конструкция двухъярусной водосливной плотины
Поверочный паводковый расход, составляющий 410 м3/с (3280 м3/с -через восемь отверстий), проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 104,16 м. Отметка уровня воды в нижнем бьефе - 103,8 м. Таким образом, перепад между уровнями воды в ВБ и НБ составил Дг = 0,36 м, вместо расчетного 0,70 м.
Совместная работа поверхностных и донных отверстий, когда в нижний бьеф сбрасывается максимальный расход воды, часто оказывается опасной с точки зрения крепления дна нижнего бьефа, следовательно, по этому случаю определяются основные параметры водобоя. Однако сегодня нет методики определения сжатой глубины, которая могла бы использоваться в практике проектирования и инженерных расчетов подобных сооружений. В связи с этим на кафедре «Гидротехническое и энергетическое строительство» БНТУ были выполнены исследования и разработана методика определения сжатой глубины при совместной работе поверхностных и донных отверстий. Данная методика позволяет производить для этого случая расчет сопряжения бьефов.
Суть метода заключается в том, что уравнение неразрывности дает возможность рассматривать истечение через двухъярусный водосброс как единый поток (а не два независимых потока, идущих через поверхностные и донные отверстия), обтекающий водосливную плотину (полку), разделяющую поверхностные и донные отверстия. Энергетические потери потока, обусловленные сопротивлением полки, могут учитываться коэффициентом скорости ф.
Для определения коэффициента скорости опытным путем получена эмпирическая зависимость
( Н V рЛ
Ф = 0,962
1,02'
0,6773
(1)
где Н -напор на гребне поверхностного водосброса, м; рх- высота водосливной плотины от гребня до верха донного отверстия, м; а - высота донного отверстия, м; Т = Н + р\ + а - глубина потока перед плотиной, м.
Любая конструкция водосливной плотины выбирается на основании технико-экономического сравнения [3]. В данном случае двухъярусная плотина может сравниваться с одноярусной. Конструкция одноярусного водослива (рис. 2) должна полностью копировать конструкцию двухъярусной плотины (из условия устойчивости против сдвига), остаются прежними площади водосливных отверстий и количество бетона, укладываемого в водосливную плотину [4, 5]. Различаются при этом только конструкции водобоя.
Показателем сравнительной экономической эффективности в соответствии с типовой методикой [6] является минимум приведенных затрат
З = Сг+ ЕиК ^ min, (2)
где З - приведенные затраты; С - текущие удельные затраты по каждому варианту; К - удельные капитальные вложения по каждому варианту; Ен -нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
Основным критерием при определении удельных капитальных вложений в строительство водопропускных сооружений является количество бетона, укладываемого в сооружение на единицу пропускаемого расхода, при одних и тех же энергетических характеристиках бьефов гидроузла. Значит, экономический эффект может быть определен по экономии уложенного в сооружение бетона на единицу расхода.
Результаты расчета технико-экономического сравнения вариантов представлены в табл. 1. Как видно, расход бетона, уложенный в одноярусную плотину и приведенный к единице расхода, несколько меньше по сравнению с двухъярусной плотиной, однако расход бетона, уложенный в водобой и приведенный к единице расхода, для двухъярусной плотины меньше по сравнению с одноярусной. Суммарный же расход бетона, приведенный к единице расхода, для двухъярусной плотины меньше, чем для одноярусной. В абсолютных величинах при строительстве двухъярусной плотины экономия бетона составит 1579 м3, или 8,77 %, по сравнению с одноярусной. При стоимости 1 тыс. м3 бетона 522,12 тыс. руб* в ценах 1991 г. экономия составит 824,4 тыс. руб в ценах 1991 г.
* Объект-аналог Пруд на р. Уша в к-зе «Шипяны» Смолевичского р-на Минской обл. -Белгипроводхоз, 1999. - Смета № 2.
Таблица 1
Технико-экономическое сравнение водосливных плотин Гродненской ГЭС
Сравниваемый вариант Водосливная плотина
одноярусная двухъярусная
Пропускная способность, м3/с 2505 2340
Объем водосливной плотины, м3 10591,8 10591,8
Расход бетона на водослив, приведенный к единице расхода, м3/м3/с 4,23 4,53
Коэффициент скорости 0,95 0,866
Сжатая глубина за водосливом, м 1,9 1,95
Тип прыжка Затопленный Затопленный
Объем водобоя, м3 7408 5829
Расход бетона на водобой, приведенный к единице расхода, м3/м3/с 2,96 2,49
Суммарный объем водослива и водобоя, м3 18000 16421
Общий расход бетона, приведенный к единице расхода, м3/м3/с 7,19 7,02
ВЫВОДЫ
1. В настоящее время недостаточно изучены вопросы, связанные с работой двухъярусных водосбросов, расчетом пропускной способности и сопряжения бьефов.
2. Фактический расход на модели превышает расчетный, что говорит о недостаточной точности существующей методики расчета пропускной способности двухъярусной водосливной плотины.
3. В качестве водосброса в составе Гродненской ГЭС экономически целесообразно применение двухъярусной водосливной плотины.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С и н и ц ы н Н. В. Совместная работа водоводов двухъярусных сооружений и гидравлика потока на входном участке: Дис. ... канд. техн. наук. - Мн., 1967. - 195 с.
2. П о л я к о в а Б. Г. Метод определения пропускной способности двухъярусных водопропускных отверстий: Дис. ... канд. техн. наук. - Ташкент, 1969.
3. Т и п о в ы е проектные решения 820-04-12.84. Водосбросы открытого типа на расход воды от 50 до 700 м3/с напором 4-12 м для прудов и малых водохранилищ. - Мн.: Бел-гипроводхоз, 1991.
4. Г и д р а в л и ч е с к и е исследования водосливной плотины Гродненской ГЭС: Отчет о НИР (заключительный) / БНТУ; Рук. темы Г. Г. Круглов. - Мн., 2003. - № 672. - 30 с.
5. Р а з р а б о тк а конструкции, исследование устойчивости и фильтрационной прочности грунта основания двухъярусной плотины Гродненской ГЭС: Отчет о НИР (заключит.) / БНТУ; Рук. темы Г. Г. Круглов. - Мн., 2003. - № 632.
6. М е т о д и ч е с к и е указания по определению экономической эффективности внедрения новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в зоне осушения (пример расчета) / НИИГиМ. - Л., 1982. - 302 с.
Представлена кафедрой гидротехнического
и энергетического строительства Поступила 20.04.2005
