ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ НА ДЕРИВАЦИОННЫХ ТРАКТАХ
§ 19. Условия шуготранзита по деривации
Опыт эксплуатации ряда гидростанций показал, что для обеспечения беспрепятственного движения шуги в пределах сооружений головного узла и деривационного тракта необходимо:
1) обеспечить равномерное и плавное движение потока;
2) обеспечить скорости потока v=0,8 м/сек, а для тяжелых шугоходов, покрывающих до 80% площади зеркала потока, — v > 1 м/сек.
Не всегда по гидравлическим условиям возможен шуготранзит. Например, на деривационном канале Свистухинской ГЭС
из-за небольших расходов воды в зимний период не могут быть получены требуемые скорости. На саморегулирующемся деривационном канале Майкопгэс потребуется такое снижение уровня в напорном бассейне, при котором почти неизбежно засасывание воздуха в трубопровод. Вообще организовать шуготранзит легче в несаморегулирующихся каналах, в которых всегда на значительной длине потока имеет место равномерный режим.
Потеря напора при шуготранзите чувствительна для малонапорных ГЭС; так, например, для Майкопгэс она составила бы 17,7%, тогда как для высоконапорной Баксангэс такая потеря не превысила бы 2%.
§ 20. Зажоры
Зажоры в деривационных каналах возникают в результате или недостаточной для шуготранзита скорости течения, или попадания шуги в деривацию под ее ледяной покров.
По наблюдениям автора, в результате значительного перебора глубины (на 1 м) в земляном русле деривационного канала Кадырьягэс, на участке длиной 300 м, со средней скоростью течения 0,75 м/сек, в условиях переохлажденной воды, при 80% заполнения шугой зеркала потока, дважды в течение зимы произошли зажоры. Впоследствии, после засыпки перебора гравием с камнем зажоры прекратились.
Вкачестве второго примера дефектного участка деривации можно привести расширенный участок деривации Орджоникидзегэс в районе расположения отстойника, в месте примыкания обводного канала. Однако здесь зажоры никогда не возникали. Это объясняется двумя причинами: небольшой длиной (60 м) уширенного участка и большой скоростью (1,25 м/сек) потока на подходе к этому месту. В результате поток не успевает расшириться до такой степени, чтобы значительно уменьшились скорости.
Если очистка воды от шуги происходит на головном узле, а на деривационном канале зимой поддерживается ледяной покров, то успех борьбы с зимними затруднениями на ГЭС решается на головном гидроузле.
Приведем пример из опыта эксплуатации Свистухинской ГЭС. Глубина в канале зимой 4 м, расходы порядка 20 м 3 /сек, бермы в деривации наклонные, русло земляное. По неопытности эксплуатационного персонала головного узла (первая зимняя эксплуатация) в начале зимы 1948—49 г. в канал было увлечено огромное количество шуги. В голове канала под ледяным покровом образовался зажор. К 25 декабря зажор распространился до ПК 50 (фиг. 18). Высота шугового слоя в голове канала достигла 3,2 м. Высота живого сечения по оси канала сохранилась не более 0,6 м. Поступавшая в дальнейшем в канал шуга стала перемещаться вниз по каналу. К январю проникновение шуги прекратилось.
Продвижение шуги по каналу замедлялось при подходе к дюккеру вследствие уменьшения скоростей течения; по той же причине замедлилось продвижение шуги и к напорному бассейну. Из графика видно, что количество шуги в канале не увеличивалось. Вследствие потепления вода при ее движении под ледяным покровом в верхнем бьефе (около 30 км) и в канале, уменьшалась возможность смерзания шуги. Поэтому шуга постепенно разрыхлялась и переносилась.
Фиг. 18. График движения шуги в канале под ледяным покровом. Толщина шугового слоя дана по оси канала
К началу весны шуга проникла до ПК 90, т. е. оказалась в 2 км от напорного бассейна. В начале февраля на турбинных решетках был зарегистрирован перепад до 16 см, так как шуга в небольшом количестве проходила через турбины. Наконец, шуговые хлопья были обнаружены в это же время в майне, в 2,5 км ниже ГЭС. Средняя скорость продвижения шуги в сутки между 5-м и 7-м километрами составила в течение 20 суток 100 м, перед дюккером — 13 мв сутки и на подходах к напорному бассейну — 32 мв сутки.
Был случай образования зажора под ледяным покровом в деривационном канале и на Чирчикгэс. Однако этот зажор успел образоваться только на участке длиной 150 м, так как наступившее потепление помешало дальнейшему росту зажора.
Следует отметить, что объем шуги, скопившейся в деривационном канале Свистухинской ГЭС, оказался столь значителен, что фактически в канале имело место шугоаккумулирование. Очевидно. что в случае крайней необходимости частичное шугоаккумулирование и шуготранзит под ледяным покровом могут быть допущены в саморегулирующемся, глубоком бетонированном канале. Но в этих случаях необходимо считаться со значительными потерями напора в деривации. Данные по этим потерям приведены в табл. 10 (в условиях постоянного расхода воды в канале.
В саморегулирующемся канале с бетонной облицовкой снижением уровня воды в напорном бассейне можно увеличить скорости течения воды под зажором, благодаря чему будет происходить рассасывание шуговых скоплений.
§ 21. Шугоход
На перемещение шуги по каналу влияют скорости течения воды, так как от их величины зависит характер распределения шуги по глубине потока. Так как на деривационном тракте Орджоникидзе- ГЭС встречаются различные значения скоростей течения, то по длине канала шугоход имеет разный характер. На 100-м подпорном участке верхнего бьефа шуга успевает сформироваться в шуговые ковры. При входе в деривационный канал шуга, двигаясь со скоростью 1,5 м/сек, встречает решетки с просветом в 20 см. Даже при сильных шугоходах эти решетки никогда не задерживают хода шуговых ковров, так как на коротком подпорном участке они не успевают прочно смерзнуться. Пройдя решетки, шуга попадает в узкий, шириной 5,6 м, железобетонный лоток длиной 330 м, где. перемещаясь со скоростью 1,8 м/сек, частично уходит в глубинные слои потока. После лотка на участке мощеного русла длиной 1,6 км шуга вся плывет на поверхности при скорости 1,25 м/сек. В бетонном лотке шуга движется со скоростью от 1,75 до 2 м/сек. В этом лотке вся шуга исчезает с поверхности, двигаясь в глубинных и приповерхностных слоях. Шуга в приповерхностных слоях своим видом напоминает вытянутые комья снежуры (размером 0,35 м). С приближением к напорному бассейну, в связи с увеличением скоростей, шуга исчезает и лишь изредка обнаруживается под водой в виде белесоватых пятен величиной с тарелку, то появляющихся, то исчезающих.
На распределение снежуры по глубине потока скорость воды оказывает почти такое же влияние, как и на шугу.
Автору пришлось наблюдать шугоход через дюккер на большом канале. Дюккер имел два водовода 3,4 Х 3,4 м. Скорость течения в дюккере 0,7—0,9 м/сек; входные решетки были сняты. Шугоход происходил в своеобразной обстановке. В канале перед дюккером на несколько километров тянулись зажорные шуговые скопления подо льдом. Скорость течения под зажором перед дюккером составляла 0,5 м/сек. Непосредственно у входа и у выхода из дюккера оставались майны. В майне, у входа из-под зажорных масс толщиной до 1,5 м, наблюдался подъем шуги в виде небольших ватообразных хлопьев. Шуга уходила в отверстия дюккера, не поднимаясь на поверхность. Майна у выхода частично забивалась шугой.
Шуга в небольшом количестве может пропускаться через дюккер; для пропуска в значительном количестве требуются повышенные скорости как в самом дюккере, так и на подходе и на выходном участке. Необходимы такие скорости, при которых происходило бы дробление шуги: в дюккере v > 1,5 м/сек, на переходных участках v >1,25 м/сек. Величина требуемых скоростей повышается в условиях смерзшихся ковров шуги.
При отсутствии ледяного покрова образование шуги в самом канале зависит от потерь тепла по пути движения потока от головного узла к напорному бассейну. Потери, тепла зависят от метеорологических и гидравлических условий, а также от длины пути водотока. Приведем несколько примеров. На участке деривационного канала длиной 15 км с глубинами до 1,5 — 2,0 м скоростью течения до 2,5 м/сек, после почти полного очищения водотока от шуги, шуга вновь образовывалась и местами покрывала до 75% поверхности водотока. В деривационном канале длиной 10 км с глубинами до 1,5 м и скоростью течения 1,25 м/сек, после удаления шуги на головном узле, наблюдалось образование шуги по пути к напорному бассейну.
§ 22. Ледостав
При скорости воды v < 1 м/сек в деривации устанавливается ледяной покров (Свистухинская ГЭС, Чирчикгэс, Майкопгэс и др.). На характер образования заберегов влияет величина заложения откосов в канале. На деривациях гидростанций, где ледостава не бывает, имеют место различные формации заберегов. На пологих откосах каналов (1 : 1,5—1 : 2,5), вследствие уменьшения скоростей, легко происходит образование заберегов. Такие пологие откосы в условиях частых ветров со снегопадами легко удерживают на своих бровках снеговые скопления. Эти наметы снега в течение зимы вырастают в огромные снежные бугры, хорошо удерживаемые наклонными откосами. Снеговых нагромождений по берегам с заберегами так много, что деривация зимой производит впечатление канала не с пологими, а с вертикальными откосами. На каналах с крутыми откосами (5 : 1) забереги почти отсутствуют.
Трапецоидальное сечение лотка быстротока холостого сброса Свистухинской ГЭС затрудняет его зимнюю эксплуатацию. От водяной пыли нарастают глыбы льда толщиной до 0,75 м, которые хорошо удерживаются на откосах лотка. Часто ветры наносят огромные шапки снега, которые свисают с глыб льда. Можно было опасаться отслаивания штукатурки при срывах с откосов ледовых нагромождений. Однако в первую зиму эксплуатации штукатурка не была повреждена.
На каждом повороте деривационного канала Свистухинской ГЭС, несмотря на 50-см толщину льда, на выпуклой стороне потока наблюдались майны, как результат поперечной циркуляции потока. Эти майны лишь при сильных морозах покрывались тонким льдом, однако быстро разрушались при их ослаблении. В ледяном покрове канала наблюдались трещины по его оси и у берегов. Эти трещины появились в связи с колебаниями уровня зимой у напорного бассейна.
Деривационный и отводящий каналы Свистухинской ГЭС являются участками ирригационного канала. Ледовый режим в отводящем канале отличался от подводящего. Причина этого заключается в хорошем перемешивании в длинном напорном трубопроводе и в турбинном тракте воды, поступающей из деривационного канала с глубинами до 4 м. Второй причиной является меньшая глубина (2 м) в отводящем канале, обусловливающая большие скорости течения. Непосредственно у гидростанции всегда держалась майна; толщина льда на расстоянии 0,5 км от ГЭС была равна 0,3 м и в конце деривации 0,6 м. Сплошной ледостав в отводящем канале возникал позже; наоборот, ледяной покров исчезал на 18 суток раньше.
Наименьшая толщина льда в канале наблюдалась на участке после безнапорного туннеля, вследствие отепляющего действия 6-км туннеля. Напорный туннель мог бы дать еще больший согревающий эффект, так как в нем вода совсем не соприкасалась бы с морозным воздухом.
§ 23. Явления ледохода
На каналах с ледоставом принимаются меры, способствующие таянию льда на месте. По мере возможности уменьшаются скорости течения и поддерживается постоянный уровень. Однако это требование не всегда выполняется, и тогда в канале возникает ледоход.
На первых километрах одного большого канала средняя скорость составляла 0,35 м/сек, а поверхностная не превышала 0,5 м/сек. Можно было рассчитывать на таяние льда на месте. Однако скопление в пределах первой половины канала больших масс шуги под ледяным покровом вызвало ледоход. Весной по мере размыва шуги уровень в голове канала резко падал: за 10 суток уровень снизился больше чем на 1 м. Талый лед не мог удержаться у берегов, ломался и увлекался водой. Подвижки льда начались при высоких дневных температурах и продолжались двое суток. Лед через дюккер пропускался без затруднений. Аварийная бригада разбивала крупные льдины, а мелкие куски льда проходили через дюккер. Если бы на подходах к сооружению была установлена запань, то лед был бы удержан и растаял на месте. Аналогичная запань из бревен сыграла положительную роль на подходах к напорному бассейну (здесь скорости течения v < 0,25 м/сек).
В период ледохода на головном узле, с целью защиты канала от попадания льдин, по линии порога аванкамеры шлюза-регулятора, на участке небольших скоростей также устанавливалась запань из бревен. Это мероприятие полностью оправдало себя.
Весной для увеличения выработки электроэнергии расходы воды в деривации повышаются, и уровни меняются. По этой причине произошел ледоход в канале Майкопгэс; лед благополучно сбрасывался в напорном бассейне через шугосбросный лоток.
Лед в каналах Чирчикгэс, работающих на подпоре, тает на месте.
