8.4. Вопросы гидравлики при компоновке гидроузлов
Развитие гидравлики в СССР неразрывно связано с решением крупных проблем, возникающих в отечественном гидротехническом и гидроэнергетическом строительстве. В довоенный период при решении вопросов компоновки гидроузлов в гидравлических исследованиях основное внимание уделялось проблемам неравномерного движения воды в речных руслах и каналах, неустановившегося движения воды в открытых водотоках и напорных водоводах, сопряжения водных бьефов гидросооружений, движения наносов, движения грунтовых вод в обход гидротехнических сооружений и под ними и другим проблемам. В этот период была разработана гидромеханическая теория движения грунтовых вод для гидротехнических сооружений, возводимых на нескальных основаниях, и развивалось моделирование различных гидравлических явлений.
В послевоенный период в процессе строительства крупных русловых гидроузлов на равнинных реках выполнены многосторонние исследования воздействия водного потока на сооружения, деформаций русл в нижнем бьефе при неустановившемся движении, кроме того, изучались волновые воздействия, процессы гашения энергии значительных и неравномерных сбросных расходов, гидравлические явления, возникающие в турбинных блоках, неустановившаяся фильтрация в условиях напорного и безнапорного движения, механическая и химическая суффозия и др., что способствовало осуществлению каскадов волжских, днепровских и других гидроузлов.
Разработанная теория напорного гидротранспорта послужила основой для широкого применения способа гидромеханизации земляных работ при возведении плотин. Решена задача успешного осуществления бесперемычечного перекрытия рек в период строительства каменной наброской в текущую воду. Эти исследования продолжались и развивались в дальнейшем. На основе исследований неустановившегося движения воды в верхних и нижних бьефах гидроэлектростанций, в каналах судоходных сооружений разработаны новые методы гидравлических и гидродинамических расчетов, усовершенствованы конструкции судоходных сооружений больших размеров, в которых опорожнение и наполнение камер происходит в короткие сроки, а также обоснованы параметры и условия работы наклонных судоподъемников и т. д.
Продолжалось углубленное изучение гидравлики высоконапорных водосбросных сооружений, таких явлений, как кавитация, аэрация, динамические воздействия потока на сооружения и их элементы с изысканием рациональных водопропускных сооружений и конструкций сопряжения бьефов для таких узлов как Саяно-Шушенский, Зейский, Чиркейский, Нурекский, Колымский, Токтогульский и др.; обосновывалась гидравлика производства работ и обеспечения пуска первых агрегатов при пониженных напорах. Потребовалось решить ряд задач,, связанных с пропуском в эксплуатационный период значительных расходов с высокими скоростями (30—50 м/с и выше) через водосливы и водоспуски, с гашением колоссальной энергии водных потоков, мощность которых достигает 30—50 млн. кВт, а также с пропуском в строительный период больших масс воды в условиях многоводных рек с тяжелым ледовым режимом.
Важнейшими задачами гидравлики высоконапорных водосбросов являются:
- выбор схемы пропуска расходов и типа сопряжения бьефов и разработка рациональных конструкций водопропускных сооружений, отыскание способов управления бурным потоком для направления его в нижний бьеф с необходимой степенью расширения или рассредоточения его по длине;
- прогнозирование возможного разрушения русла (обычно скального) и берегов в нижнем бьефе, характера и объема отложений продуктов разрушения русла ниже сооружений;
- определение гидродинамических нагрузок, действующих на элементы водосбросных и водопропускных сооружений, а также на механическое оборудование гидросооружений; создание расчетных методов учета пульсационных и других гидродинамических нагрузок при определении прочности и устойчивости;
- изучение условий возникновения кавитации и аэрации в водных потоках и разработка мер борьбы с кавитационной эрозией водосливных и водосбросных трактов; создание крупномасштабных кавитационных установок, развитие лабораторных и натурных исследований по защите сооружений от динамических разрушений и кавитационной эрозии, что позволяет обосновать методы динамического расчета сооружений.
Большое значение имеет правильная оценка при проектировании воздействия на сооружения подземных потоков, трансформируемых в связи с наличием подпора на реках. Вопросы фильтрации в основаниях и и обход гидротехнических сооружений весьма важны при решении подземного контура этих сооружений, определении конструкций и основных размеров. Опыт эксплуатации гидроузлов показывает, что большая часть аварий гидросооружений обусловлена воздействием фильтрационных потоков (этим вызвано, в частности, около 50% аварий и разрушений земляных плотин). Строительство высоких плотин выдвинуло ряд новых проблем в области фильтрации, требующих дальнейшей разработки. Уже выполнены значительные работы по исследованию пространственной фильтрации в зоне гидроузлов с высокими плотинами на трещиноватых скальных породах, установлены размеры и рациональные конструкции противофильтрационных и дренажных устройств. При решении вопросов фильтрации учитывается наличие неустановившейся фильтрации в берегах водохранилищ. Не менее важным является расчет механической и химической суффозий в основании сооружений, в частности, суффозии заполнителей трещин скальных оснований и берегов водохранилищ.
Созданию уникальных гидроагрегатов гидроэлектростанций способствовали комплексные гидравлические, энергетические и кавитационные исследования гидротурбинных блоков, гидравлики затворов и механического оборудования. На специально созданном аэродинамическом стенде отрабатываются энергетические показатели обратимых агрегатов и совершенствуется их проточная часть, Выполнен большой объем исследований в связи с разработкой проекта защиты Ленинграда от наводнений; обоснованы противоволновые крепления различных типов для сооружений и защиты берегов в проектах Чебоксарского, Нижнекамского и других гидроузлов.
В качестве примера широкого использования гидравлических исследований для рационального решения компоновочно-конструктивных задач можно привести исследования, выполненные для обоснования технического проекта и в процессе рабочего проектирования Саяно- Шушенского гидроузла. Были выполнены пространственные модели всего гидроузла и модели отдельных элементов для обоснования компоновки сооружений узла, конструкций постоянных и временных водопропускных гидросооружений, выбора рациональной схемы сопряжения бьефов, определения основных характеристик режима потока в нижнем бьефе. Эксплуатационные водосбросные устройства гидроузла исследовались на пространственных моделях в масштабе 1 : 100 и 1 : 220, воспроизводящих участок реки длиной около 4 км. Исследования осуществлялись для компоновок гидроузла, отличающихся схемами сопряжения бьефов: водосбросы с носками-трамплинами при различном их расположении в плановом и высотном отношениях и водосбросы с водобойным колодцем.
При исследованиях определялись характеристики потока при различных режимах работы сооружений: дальности отброса потока, скоростей и уровней воды в нижнем бьефе, интенсивности гашения энергии. При этом производилась сравнительная оценка размывов для различных вариантов и пр. На пространственной модели в масштабе
1 : 100 проводились исследования по выбору схемы пропуска расходов, компоновок и конструкций для различных очередей строительства, выбору конфигурации и размеров перемычек и береговых креплений. Напорные участки водосбросов и их сопряжение с водосливной гранью плотины исследовались на фрагментарных моделях масштаба 1 : 50 и 1 : 60. На кавитационном стенде были выполнены исследования по выбору и обоснованию противокавитационной защиты водосбросного тракта, которые в дальнейшем будут уточняться на пространственной модели масштаба 1 : 25. Значительные исследования проведены на гидравлическом, энергетическом и кавитационном стендах модели блока ГЭС со сверхмощными гидроагрегатами, при этом было уделено большое внимание изучению и выбору водоподводящего и турбинного трактов и определению основных показателей работы гидротурбины. Выполненные методом ЭГДА исследования на пространственной и плоской моделях позволили определить параметры фильтрационного потока в основании, противодавление на подошву плотины и высоту высачивания на склонах каньона, установить размеры и расположение противофильтрационных завес.
Аналогичные по составу гидравлические исследования выполнены при проектировании и строительстве ряда других гидроузлов. Результаты этих исследований по выбору компоновки основных сооружений гидроузла, схем и способов пропуска расходов на разных этапах его строительства и эксплуатации, разработке конструкций водоподводящих устройств и определению действующих на них нагрузок, а также установлению рациональных схем эксплуатации сооружений нашли отражение в проектах и в осуществленных сооружениях.
