ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ НА ГОЛОВНЫХ ГИДРОУЗЛАХ
§ 15. Шугоаккумулирование в верхнем бьефе
Рассмотрим явления ледового режима в связи с ледовыми затруднениями на гидростанциях, а также схемы очистки воды, направляющейся в турбины, от шуги и льда.
Основными схемами очистки воды от шуги на гидростанциях, следует считать:
а) полное очищение воды, направляющейся в деривацию, путем аккумулирования шуги в верхнем бьефе большой емкости;
б) частичное шугоаккумулирование в верхнем бьефе и частичный сброс шуги в нижний бьеф на головном узле (Чирчикгэс, Майкопгэс и др.);
в) транзит всей шуги через верхний бьеф, через всю деривацию со сбросом в ее конце (деривации Кадырьягэс, Канакиргэс, Еревангэс-1 и др.).
Есть и другие схемы, которые оправдали себя в практике эксплуатации и по которым вода от шуги не очищается, а освобождается лишь oт заберегов и в таком виде пропускается через турбины. В таких случаях имеет место также шуготранзит через. верхний бьеф и через деривацию (Ленинакангэс, Баксангэс, Орджоникидзегэс и др.).
При рассмотрении схем очистки будем сопоставлять их по потерям воды и напора. На одной и той же ГЭС в течение зимы могут применяться разные схемы борьбы с шугой. Для одной и той же ГЭС порядок очистки воды может изменяться с годами.
Для обеспечения шугоаккумулирования в верхнем бьефе необходимо наличие следующих основных условий:
а) наличие уклонов русла не больше 0,004;
б) наличие емкости подпорного бьефа, превышающей половину всего количества шуги, образующейся за зиму; при небольших уклонах (порядка 0,002—0,003) количество задержанной шуги может значительно превысить емкость бьефа;
в) наличие в потоке выше зажора переохлажденной воды.
Причиной остановки плывущей шуги является уменьшение скорости течения воды. Поэтому в верхнем бьефе местом начала накопления или зажора шуги (аккумулирование шуги) будет участок выклинивания кривой подпора, часто близко совпадающий с границей ледостава.
При образовании зажора следует выделять следующие фазы [Л. 1].
Первая фаза характеризуется остановкой у кромки ледяного покрова плывущей по поверхности потока шуги. Вторая фаза начинается с подныривания движущейся шуги под остановившуюся и характеризуется развитием зажора в глубину, впредь до достижения под головой зажора шуготранспортирующих скоростей; при этом зажор развивается сверху вниз. Третья фаза характеризуется развитием зажора вверх по течению, выше головы, с одновременным развитием и вниз по течению. В период этой фазы наблюдается большой подъем уровня воды перед зажором, вызываемый наличием в потоке больших масс шуги, значительно уменьшающих его живое сечение в голове зажора. Увеличение скоростей и преодоление сопротивлений под зажором сопряжено с повышением уровня воды в потоке выше зажора.
Фиг. 15. Схема сооружений гидроузла
1— донные промывные галереи, перекрываемые в конце сегментами; 2 — водобойный колодец; 3 — аванкамера; 4 — шлюз-регулятор; 5 — успокоитель; 6 — канал; 7 — шугосбросные отверстия, перекрытые клапанами
Основные размеры верхнего бьефа рассматриваемой ГЭС (до заиления) характеризуются следующими цифрами (см. фиг. 5): длина кривой подпора 2,5 км, средняя ширина 270 м и глубина у плотины 8—9 м. Скорость роста зажора первой фазы в слабо заиленном бьефе (1944 г.) доходила до 700 м в сутки; длительность этой фазы составляла четверо суток. В период второй фазы (двое суток) шуга втягивалась под зажор, при этом его поверхность торосилась. При третьей фазе уровень воды, особенно перед головой зажора, резко поднялся. В зоне вторичного подпора уклон поверхности зажора значительно превысил бытовой уклон реки в этом месте. В течение двух суток зажор распространился вверх по реке еще на 2,7 км, пока увеличенные скорости не создали благоприятных условий для подныривания шуги.
Процесс шугоаккумулирования в верхнем бьефе этой ГЭС можно характеризовать следующими показателями: непрерывное шугоаккумулирование наблюдалось в течение 14 суток, при среднем расходе шуги в 1,5—2 м3/сек; длина участка аккумулирования больше чем в два раза кривой подпора (5 и 2,5 км); объем воды в бьефе при нормальном подпертом уровне 1,6 млн. м3, а количество задержанной шуги 2,6 млн. м3. Шуговые зажоры держались всю зиму и растаяли в марте.
Фиг. 16. Схема каскада гидростанций
1 — река; 2, 3, 4 — озера;
5 — большое озеро; 6 — гидроузел № 1; 7 — канал;
8 — гидроузел № 2; 9 — гидроузел № 3; 10, 11 — каналы
В несколько раз большее шугоаккумулирование (по данным автора) осуществлялось в верхнем бьефе одного гидроузла на р. Кубани в 1948—49 г. (фиг. 15). Основные данные бьефа: длина кривой подпора около 2,5 км; средняя ширина у плотины 500 м, глубина у плотины 4,5 м; напор на узле 4,5 м. Начало зажора 25 ноября. Лед в бьефе окончательно установился 12 декабря. 25 декабря толщина шуговых накоплений подо льдом на расстоянии 10 м от порога аванкамеры шлюзарегулятора достигла 3,5 м. Под шугой оставался слой воды не больше 0,9 ' м. К 27 января при непрекращающихся сильных морозах шуговые зажоры распространились выше плотины в длину до 30 км, т. е. дошли до участка с большим уклоном русла. Шуга продержалась до весны.
Такое же большое шугоаккумулирование наблюдалось в верхнем бьефе Майкопгэс при наличии ледостава в суровую и длительную зиму 1953—54 г. Основные данные бьефа: длина кривой подпора 4 км; глубина у плотины 9 м; ширина зеркала от 150 до 70 м; уклон дна русла 0,003. Начало шугообразования в конце ноября. К концу января шуга, продвигаясь под ледяным покровом, прошла по направлению к плотине 3 км. Выше конца подпора шуговые зажоры распространились на 10 км.
Из рассмотрения этих трех примеров следует, что шугоаккумулирующая способность бьефа прежде всего зависит от емкости подпертого бьефа, а также от возможностей роста зажора вверх по течению. На интенсивность развития зажора вверх по течению влияет, главным образом, уклон водотока, а затем температуры воздуха и воды. При малых уклонах реки зажор сильно растет вверх. Наличие переохлажденной воды благоприятствует росту головы зажора, так как процесс смерзания и укрупнения шугового материала в переохлажденной воде происходит быстро. Поэтому в этих условиях интенсивно формируется голова зажора. Наоборот, при нулевой температуре воды голова зажора получается более распластанной и рыхлой (см. ниже — зажоры в деривационных каналах).
Огромное значение температуры воздуха и воды для прочности зажора можно иллюстрировать следующим примером. В верхнем длиной 150 м. Однако на следующий же день при появлении положительных температур воздуха зажор начал разрыхляться и вытянулся под ледяным покровом на длину до 1,5 км.
С удлинением зажора подныривающая под лед шуга в виде крупных смерзшихся образований начинает разрушаться вследствие отепляющего воздействия ледяного покрова. Поэтому в таком зажоре интенсивность его роста по направлению к плотине резко падает, и шуга, разрушаясь, подходит к сооружениям мелкими частями.
Неустойчивая зима понижает шуrоаккумулирующую способность. В период оттепели шуга разрушается на участках больших скоростей, т. е. в голове зажора и в проточных его участках. При повторном формировании зажора освободившиеся при оттепели участки зажора уже не заполняются полностью вследствие указанных выше причин (отепляющего воздействия длинного зажора).
Шугоаккумулирующая способность бьефа падает по мере его заиления.
Полного очищения воды от шуги путем ее аккумулирования удается добиться в больших озеровидных или в озерных бьефах. В таких условиях находится каскад гидростанций, представленный на фиг. 16. Верхним бьефом каждой ГЭС является озеро длиной и шириной несколько километров и глубиной до 11 м. -Каскад расположен на горной реке с расходами 150—200 м3 /сек, выносящей в течение всей зимы в озера огромное количество шуги. Шуга проникает в озеро свыше чем на 1 км от устья реки. В глубоком большом бьефе температура воды повышается с увеличением глубины. Так, температура вблизи устья не превышает +0,02°, а в 1,25 км ниже, при глубине 9,5 м, повышается до +0,05—+0,06°.
§ 16. Сброс шуги в нижний бьеф
Сброс шуги на головном узле в нижний бьеф становится необходимым в том случае, если невозможен транзит шуги по деривации. Порядок сброса шуги в нижний бьеф зависит от ледосбросной способности водосбросных сооружений. Прежде всего следует добиваться удаления шуги через отстойник (если отстойник входит в состав сооружений узла), так как такой сброс требует меньше воды, чем через водосброс плотины.
При необходимости удаления плывущих тел через водосброс наиболее удобно и экономично, как указывалось выше, производить сброс шуги и льда через козырьки клапанных затворов. Сброс ледового материала через пролеты плотины, перекрытые сегментными затворами, чрезвычайно затруднителен. Это подтверждается опытом эксплуатации Майкопгэс.
Небольшими открытиями сегмента нельзя сбросить ни льда,. ни шуги. Большие подъемы сегмента (пролет 13 м) сопряжены с потерей большого количества воды. Сбросы шуги поверх сегмента даже при напорах 0,2 м, потребуют значительного уменьшения и без того небольших зимних водозаборов ГЭС. При неизбежности сбросов шуги через плотину необходимо накапливать воду не только в обширном верхнем бьефе, но и в саморегулирующейся деривации.
На некоторых кавказских реках бывают внезапные зимние паводки, превышающие иногда по своим размерам весенние и летние. Периоды похолодания с морозами до 25° и с обильным снеговым покровом сменяются периодами потепления с теплыми дождями. Поэтому проектируемые на таких гидростанциях затворы и схемы их электрообогрева должны обеспечивать возможность быстрого маневрирования затворами в зимний период.
Следует также отметить свойственные югу «ледяные» дожди. Например, на Днепрогэс в 1933—34 г. такие дожди три раза вызывали обледенение затворов и их катков.
При проектировании сегментных затворов для районов с суровыми зимами следует обращать особое внимание на конструкцию опорных ног сегмента. Опорные ноги должны проектироваться в виде косых пространственных ферм, удаленных от бычков; при близком расположении этих ферм к бычкам неизбежно их. примерзание (к бычкам) в результате боковой фильтрации.
На гидроузле, схема которого дана на фиг. 15, вначале были попытки наладить сброс шуги через один сегмент и одновременно через опущенные три клапана, расположенные в конце аванкамеры шлюза-регулятора, подающего воду в канал. Однако такой порядок удаления шуги не мог дать положительных результатов. Скорости перемещения шуги к широкому водосливному фронту были значительно меньше, нежели скорости ее перемещения к регулятору канала.
Только следующая схема борьбы с вовлечением шуги в канал дала удовлетворительные результаты. В аванкамере по линии входа в шлюз-регулятор была установлена запань. Запань состояла из металлических стоек и из глубоко опущенных между ними деревянных щитов с грузами. Сброс шуги производился лишь через один клапан, примыкающий к концу запани. Для того чтобы обеспечить всплывание шуги и поступление ее к шугосбросному клапану, вдоль запани был вскрыт ледяной покров в виде прорези. Вскрытый лед был удален. Майна имела ширину, несколько превосходящую ширину пролета клапана. Прорезь во льду быд,а немного длиннее запани, с. таким расчетом, чтобы всплывшая шуга встретила запань, находясь уже на поверхности.
Щит в самом начале запани был опущен до дна, чтобы не пустить в канал шугу, не успевшую всплыть. Шуга, прошедшая много километров под зажором, подходила к регулятору в виде небольших комьев. В случае интенсивного всплывания шуги (что бывало редко) рабочие баграми подталкивали шуговые скопления к клапану. С остановками шуги вблизи клапана боролись резким увеличением скорости течения, достигаемым с помощью быстрого частичного опускания клапанного затвора. Шуговые скопления, попадая в зону кривой спада, приходили в движение и уносились в нижний бьеф.
§ 17. Шуготранспортирующая способность нижнего бьефа
Недостаточная шуготранспортирующая способность потока в нижнем бьефе препятствует удалению сбрасываемой шуги от головного узла и может сделать невозможным сброс ее в нижний бьеф. Если шугоаккумулирующая способность в верхнем бьефе увеличивается с уменьшением уклона, то шуготранспортирующая способность с уменьшением уклона падает. Эта способность также понижается по мере уменьшения сбрасываемых расходов воды и по мере завала нижнего бьефа донными наносами, удаляемыми из верхнего бьефа.
Приведем ряд примеров из опыта эксплуатации по борьбе с шуговыми завалами в нижнем бьефе. На головном узле одной гидростанции промывной канал отстойника и нижний бьеф были забиты шугой, удаляемой через отстойник (см. фиг. 5), в течение примерно одного месяца, несмотря на то, что уклоны в промывном канале и в нижнем бьефе были соответственно равны 0,005 и 0,003. Значительные сбросные расходы, увеличившие промывные скорости в канале до 6 м/сек, а также раздробление замерзших скоплений шуги взрывами не дали положительных результатов.
Вследствие больших скоплений шуги в нижнем бьефе гидроузла по схеме фиг. 15 (уклон русла 0,0017) перепад уровня между бьефами к середине зимы не превышал обычно 1,25 м. Скопления шуги начинались в непосредственной близости от клапана.
Количество шуги здесь было столь значительно, что глазом легко улавливался поперечный уклон поверхности шугового покрова от правого к левому берегу. Длина участка русла, забитого шугой во второй половине зимы, превышала 1 км. Место шугового зажора всегда находилось вблизи затвора. Временами в нижнем бьефе при сбросе шуги быстро поднимался уровень, и тогда в течение 20 минут перепад между бьефами падал до 0,3 м. В таких случаях местный зажор вблизи клапана ликвидировался в течение 1—2 часов с помощью водолаза и усиленных сбросов воды толчками.
К концу зимы, для проталкивания шуговых скоплений вниз по реке, сбросы воды в течение трех суток значительно увеличивались за счет уменьшения расходов воды в канале в два раза (что было возможно ввиду неполной готовности ГЭС). Окончательно зажор был размыт в начале весеннего паводка.
Для сброса шуги на рассматриваемом гидроузле в неблагоприятных случаях приходилось затрачивать от 9 до 14% расхода воды деривации. После установки механической шуготаски количество сбрасываемой воды было уменьшено. Таким образом, на гидроузле имели место два вида расходования воды для борьбы с шугой: вода для удаления шуги в нижний бьеф и затрата воды для размыва зажоров там же. Второй вид затрат применялся редко, но по величине превышал первый.
При очистке воды от шуги путем ее частичного аккумулирования в верхнем бьефе и сброса в нижний бьеф самая тяжелая обстановка может создаться после полного исчерпания шугоаккумулирующей способности верхнего бьефа, совпадающего по времени с полной забивкой шугой нижнего бьефа. Такое положение имело место на Чирчикгэс в одну из зим. После принятия решения о пропуске шуги в деривацию, в канале в пределах первых 150 м сразу образовался зажор. На другом гидроузле аварийной обстановки удалось избежать только после размыва шуги в нижнем бьефе ценой больших сбросов воды.
Фиг. 17. Узел сооружений (схема)
1 — аванкамера; 2 — здание ГЭС; 3 — судоходный шлюз
§ 18. Условия возникновения ледохода через плотину
Такими условиями являются:
а) появление в верхнем бьефе поверхностных скоростей (более 0,4—0,5 м/сек), при которых ледяной покров, в условиях положительных температур воды, существовать не может;
б) сравнительно небольшая емкость бьефа;
в) появление в больших бьефах сильных и продолжительных ветров, направленных в сторону плотины;
г) меридиональное направление течения реки с юга на север.
На Невинномысском гидроузле, вследствие значительной площади мощного ледяного покрова, весной 1949 г. ожидался крупный и длительный ледоход через плотину. Однако затянувшаяся весна ослабила его. При скорости течения на подпертом участке 0,6 м/сек ледоход продолжался около пяти суток.
При прочих равных условиях длительность ледохода прежде всего зависит от протяженности реки в подпертом бьефе и от скорости течения в нем. Так, на Волховском гидроузле, по многолетним данным, ледоход продолжается не свыше 12 часов. На Иваньковской плотине впервые в 1940 г., после девяти лет эксплуатации, возник ледоход, причиной которого явился очень большой паводок.
На обширных глубоководных малопроточных бьефах лед тает на месте (фиг. 17). Причина этого явления заключается, во-первых, в незначительных скоростях течения на подходах к плотине, даже и при сильных паводках, не превышающих 0,10 м/сек; во- вторых, в появлении необходимости сброса воды лишь спустя некоторое время после начала наполнения призмы водохранилища талой водой, т. е. тогда, когда лед успел уже значительно разрушиться. Наконец, в зарегулированных бьефах лед также тает на месте, так как сбросы воды отсутствуют.
Энергия ветра в исключительных случаях может вызывать кратковременные ледоходы даже и на больших бьефах, несмотря на ничтожные скорости течения в них. Так, при ветрах, дующих в направлении к гидроузлу, периодически отмечался нагон льда из большого озера в исток реки, которая используется каскадом гидростанций; схема каскада дана на фиг. 16. Лед поступает битый, размером от 0,5х1 до 1,5х1 м и толщиной не свыше 0,25 м, легко разрушающийся.
На Днепрогэс в марте 1937 г. бурей, при скорости ветра до 17 м/сек, был очищен ото льда бьеф на участке длиной 4 км (до о-ва Кичкас). Битый лед был не толще 0,08 м. Ветром и волнами согнало лед к правому берегу, где образовался завал, из толченого льда высотой до 2 м.
Наиболее тяжелые ледоходы имеют место на ГЭС, использующих энергию больших рек, текущих с юга на север. На таких реках последовательное их вскрытие в направлении течения приводит к большим заторам. Прорывы заторов на подходах к плотине порождают мощные, как бы паводковые волны, могущие в течение нескольких минут во много раз увеличить бытовой расход реки. Такие мгновенные паводки угрожают гидроузлу затоплением и размывами в нижнем бьефе. Заторы вызывают увеличение ледового материала, транспортируемого через плотину, до размеров ледяных гор. Пропуск подобных ледовых скоплений повреждает обшивки и уплотнения затворов. Описанная картина ледохода встречается на Кегумсгэс.
