Для определения величин расходов на гидроузлах эксплуатационный персонал должен располагать зависимостями пропускной способности всех водосбросных и водопропускных сооружений.
Практикой установлено, что натурная тарировка водосбросных отверстий вследствие сложности производства гидрометрических работ, как правило, трудно выполнима. Значительно проще и точнее можно осуществить натурную тарировку тех отверстий, для которых измерение расхода производится в искусственных руслах.
Следует добиваться того, чтобы графики пропускной способности были разработаны в проекте. В натуре, в случае необходимости, должны быть проверены проектные зависимости лишь для тех водосбросных отверстий, пропускная способность которых не может быть определена теоретически.
Фиг. 24. Несаморегулирующийся канал. Графики наполнения и скоростей воды при равномерном режиме при открытом зеркале и под ледяным покровом
В проекте должны быть приведены для деривационных каналов графики зависимости скорости течения от глубины при разных расходах для начальных и конечных участков каналов (см. графики для несаморегулирующихся и саморегулирующихся каналов на фиг. 24 и 25). Эти сведения нужны эксплуатационному персоналу для наладки зимнего режима, для контроля за заилением каналов и для других целей.
Кроме того, для саморегулирующихся каналов в проекте должны быть даны величины перепадов уровня между верхним бьефом и напорным бассейном для расчетного расхода, в пределах отметок. уровня призмы суточного регулирования в бьефе, а также и для нескольких других значений расхода.
Гидравлическими испытаниями в натуре должна быть сопоставлена пропускная способность деривации с расчетным расходом, т. е. сопоставление наполнения и суммарного падения напора по всему деривационному тракту. В том случае, когда фактическая пропускная способность меньше проектной, должны быть выявлены причины этого явления; должны быть определены потери напора на переходных участках деривации, перепады на решетках и т. п.
Фиг. 25. Саморегулирующийся канал. Графики зависимости скоростей воды от глубины и от расходов: а — головной участок, прямоугольный лоток шириной 15 м (ПК 0+ 10); б — конечный участок прямоугольный лоток шириной 8 м (ПК 13 + 00); •· •· • - трапецеидальное сечение (ПК 10 + 00)
Возможная максимальная высота призмы суточного регулирования в верхнем бьефе (в условиях саморегулирующейся деривации) для расчетного расхода, при возможно минимальной отметке уровня, в напорном бассейне, может быть определена в натуре. Искомая минимальная отметка уровня в верхнем бьефе может быть получена после создания установившегося режима в деривации в условиях предельно низкой отметки в напорном бассейне и расчетного расхода в деривации. Высота призмы будет тем больше, чем меньше суммарная потеря напора на участке от верхнего бьефа до напорного бассейна.
Переходя к методам определения расходов воды, необходимо отметить, что эксплуатационный персонал располагает техническими средствами для измерения расходов воды в пределах гидростанции. При умелом использовании этих средств можно добиться хороших результатов с точностью вполне достаточной для эксплуатационных нужд. Измерителями расхода являются:
а) щиты на гребне водослива практического профиля и водосливы практического безвакуумного криволинейного профиля; работа щитов и водосливов должна происходить при условии прямого подхода воды к отверстиям (по формулам. гидравлики);
б) протарированные расходомеры турбин при правильной их эксплуатации;
в) гидротурбины (даже без специального прибора со шкалой расходов) в первый год эксплуатации, пока они не имеют ни кавитационного, ни наносного износа и при условии работы турбин в зоне оптимального режима;
г) гидрометрические станции в верхнем и нижнем бьефах, при условии отсутствия приточности на участках бьефов между головным узлом и створом гидрометеостанции.
Рассмотрим предлагаемый нами способ для определения пропускной способности, проверенный при тарировке некоторых отверстий на Майкопгэс. С помощью этого приема искомая пропускная способность отверстий, особенно отверстий с небольшими расходами, например промывных галерей порога водоприемника, может быть достаточно легко получена в натуре. Применение предлагаемого приема возможно в условиях небольшого бьефа. при наличии на гидроузле измерителя расхода и устойчивого режима в реке (в период, близкий к межени).
Этот способ заключается или в плавном переводе расхода испытуемого отверстия на измеритель расхода, или, наоборот, в плавном переводе расхода измерителя на испытуемое отверстие. В начале опыта фиксируется исходная отметка уровня в верхнем бьефе, а если нужно, то и в нижнем бьефе. Испытуемое отверстие постепенно закрывается. В первом случае по мере закрытия этого отверстия затвор измерителя постепенно открывается. Первое поднятие затвора измерителя намечается примерно по графику тарировки или по расчету. Далее плавными незначительными изменениями высоты подъема затвора измерителя добиваются в верхнем бьефе устойчивого уровня на прежней отметке.
После того как уровень продержится без изменений в течение 20—25 минут (для больших бьефов время увеличивается), измеряется точно высота открытия щита измерителя. По полученной высоте открытия затвора измерителя по графику производится определение расхода испытуемого отверстия. При выполнении перечисленных требований расход через измеритель будет равняться расходу через испытуемое отверстие. В условиях малоемкой деривации можно методом перевода сбросного расхода с головного узла на напорно-станционный измерить пропускную способность донных промывных галерей в пороге напорного бассейна. Для этого следует постепенно прикрывать затвор водосброса и одновременно таким же образом открывать промывник бассейна, впредь до его полного открытия.
Фиг. 26. Графики пропускной способности отверстий
1 — уровень верхнего бьефа; 2 — кривая пропускной способности полностью открытого отверстия
После того как уровень в верхнем бьефе продержится без изменения на прежней отметке в течение 20—25 минут (для больших бьефов время увеличивается), а также устойчиво простоит и уровень в напорном бассейне, опыт с переводом расхода можно считать законченным. Остается приступить к определению оставшейся после маневрирования высоты открытия щита-измерителя на головном узле. Разность между первоначальным расходом воды через измеритель и полученным новым расходом через него и будет равняться расходу воды через промывную галерею напорного бассейна. Разумеется, нагрузка ГЭС и расход используемого водотока в течение всего периода наблюдений должны оставаться постоянными. Неизменность расхода должна быть подтверждена постоянством уровня на водомерном посту в верхнем бьефе (вне подпора).
Графики тарировки отверстий с затопленным истечением будут справедливы:
а) при наполнении нижнего бьефа водой лишь из тарируемых отверстий;
б) при соблюдении всех условий, для которых выполнена тарировка;
в) при работе отверстий с равными открытиями затворов.
Вид такого графика пропускной способности приведен на фиг. 26. Затопленные истечения иногда удается протарировать с помощью измерителей расхода, имеющихся в нижнем бьефе. Получение зависимостей величины расхода от открытия затвора при разных уровнях верхнего бьефа требует длительного периода времени, так как наблюдениями необходимо, охватить значительную амплитуду колебаний расхода воды и колебаний уровня верхнего бьефа. Поэтому выполнение такой тарировки вертушечными измерениями крайне громоздко и сложно. Данные для построения таких тарировочных зависимостей должны накапливаться постепенно, с использованием для этого каждого момента установившегося режима на водном тракте.
Гидравлические исследования деривационных трактов при установившемся и неустановившемся режимах могут быть выполнены с помощью расходомеров турбин. Особенности этого метода заключаются в следующем:
а) исследования ведутся без вертушечных измерений расходов воды;
б) исследования ведутся без нарушения режима энергосистемы путем непрерывных отсчетов расходов и уровней воды в деривации через определенные промежутки времени.
Изложенным методом была выполнена (в 1951 г.) вся программа гидравлических исследований на подводящей и отводящей деривациях одной гидростанции в начальный период ее эксплуатации В. Б. Дульневым (ВНИИГ) и автором настоящей работы. Гидравлические исследования включали в себя определение пропускной способности и потерь напора по длине подводящей и отводящей дериваций, изучение в них неустановившегося движения воды,
определение достаточности запасов в высоте берм при резко выраженном неустановившемся режиме.
Использованием расходомеров турбин для определения в процессе исследований необходимых расходов воды была достигнута значительная экономия средств. Большая полевая исследовательская работа была выполнена без вертушек, хронографов, без специального гидрометрического оборудования при минимальном числе исполнителей и в очень сжатые сроки. Конечные результаты полевых исследований были получены сразу же на месте, так как отпали трудоемкие работы по обработке хронограмм. Качество выполненных полевых исследований следует признать высоким, о чем свидетельствуют их результаты (совпадение полученных значений коэффициента шероховатости с проектными).
С помощью расходомеров турбины нами была определена зависимость Q = f (Н) для отводящего канала Майкопгэс (при отсутствии подпора со стороны реки). Таким же способом эта зависимость может быть получена для головного участка несаморегулирующегося канала. Тем же методом может быть получена зависимость Q=f(z) для саморегулирующегося канала, где z есть перепад между уровнями воды на его головном участке и уровнями напорного бассейна.
Методом перевода расхода (при плавном снятии нагрузки с турбины) на промывник напорного бассейна Майкопгэс была определена полная пропускная способность донной промывной галереи.
При отсутствии расходомеров турбин зависимости Q = f (Н) и Q = f (z) определяются вертушечными измерениями ряда расходов на оборудованном в деривационном канале гидрометрическом створе.
Проверка пропускной способности водосбросных отверстий на головном узле может быть осуществлена с помощью гидрометрической станции, находящейся в нижнем бьефе, при наличии устойчивого режима потока.
При пользовании проектными графиками или при построении их по формулам гидравлики надо учитывать, что теоретическая пропускная способность отверстий может оказаться больше фактической, если особенности местной гидравлической обстановки не учтены проектными графиками или формулами гидравлики. Особенно снижается пропускная способность при косом подходе потока к отверстию, так как такой подход усиливает сжатие в пределах его пролета. Показателями наличия таких явлений служат вихри и воронки, возникающие у стенок бычков и устоев водосброса, вплоть до отрыва струи от стенок при больших подходных скоростях потока. Воронки и мощные вихревые шнуры, захватывающие воздух и проникающие под щит, уменьшают площадь живого сечения под ним и, кроме того, увеличивают потери напора. Поэтому при сильных паводках, в условиях косого подхода, можно ожидать значительного падения пропускной способности отдельных пролетов, водосброса (15—20% ).
Явление сжатия потока в створе порога отверстия будет значительно ослаблено, если затворы будут удалены от линии входа бычков или устоя. Поэтому при паводке должны быть исследованы размеры сжатия потока особенно в створе самого затвора.
Если на подходах к широким (20 м) пролетам наблюдается неспокойный режим потока (блуждающие струи и т. п.), или в широких (2 м) щитовых пазах имеют место водовороты, то пропускная способность таких отверстий должна быть несколько снижена.
Надо считаться с тем, что пропускная способность головного узла по мере завала верхнего бьефа наносами может меняться. Это происходит в связи с изменением направления подходных струй к водосбросу в зависимости от конфигурации завала наносов в бьефе. Такого рода явления чаще всего имеют место в бьефах с сильно развитым напорным фронтом сооружений головного узла (Чирчикгэс, Газалкентский узел). Кроме того, изменение пропускной способности произойдет в случае изменения схемы истечения. Например, на головном узле Мало-Кабардинской оросительной системы истечение через плотину практического профиля после завала бьефа до отметки ее гребня заменилось истечением через широкий порог.
Для подсчета расхода воды по тарировочным зависимостям необходимые измерения уровней должны производиться лишь при установившемся режиме. Мгновенные расходы могут определяться и при неустановившемся режиме. Измерения при установившемся режиме необходимо производить только после подтверждения такого режима постоянством уровней в течение 10—15 минут. При измерениях расхода воды нельзя производить никаких манипуляций с затворами.
Для определения расхода воды при истечении через отверстия необходимо располагать устройствами, измеряющими высоту подъема затворов или глубину погружения их верха.
Таблица значений коэффициента расхода для незатопленного истечения из-под щита, определенных натурными измерениями и приведенных в труде С. Я. Вартазарова «Эксплуатационные режимы гидротехнических сооружений деривационных гидроэлектростанций», может быть пополнена результатами двух наблюдений автора на нижней голове двух отстойников (Чирчикгэс и Краснополянская ГЭС).
Истечение на нижней голове отстойника характеризуется прямым подходом потока к отверстиям. Коэффициент расхода исчислен no формуле незатопленного истечения через щитовое отверстие на гребне водослива:
где hщ — открытие щита;
Нц — напор до центра тяжести отверстия (см. табл. 15).
Таблица 15
В заключение следует сказать несколько слов об измерении потерь воды через уплотнения закрытых затворов. Точное измерение возможно только тогда, когда весь затвор обнажен со стороны нижнего бьефа и когда фильтрационный поток направляется в отдельное русло. Здесь расход воды может быть определен на Специальном мерном водосливе или измерен гидрометрической вертушкой. В случае небольших утечек в виде нескольких струй расход сосредоточенных струй может быть уловлен ведром и измерен с помощью секундомера; дебит остальных струй можно оценить визуально.
