§ 39. Мероприятия по борьбе с наносами
Борьба с наносами ведется в пределах головного узла деривационных ГЭС.
Борьба с наносами имеет своей целью предотвратить:
а) заиление верхнего бьефа;
б) заиление понура водоприемника;
в) вовлечение донных наносов в деривацию;
г) неправильную работу отстойника;
д) заиление деривации;
е) заиление напорного бассейна.
Борьбе с наносами должны сопутствовать промерные работы.
Методика по наблюдениям за наносами (техника взятия проб и т. п.) изложена в типовых инструкциях ГУГМС для гидрологических станций и постов.
Уменьшения заиления верхнего бьефа можно добиваться не только путем его промывов.
Существенное значение должен иметь также правильный выбор подпорной отметки уровня в верхнем бьефе в период паводков.
Как известно, в период паводков в реке проносится до 80—90% годового твердого стока; при этом крупные паводки транспортируют иногда количество наносов, равное двум обычным паводкам.
Бьефы заиляются взвешенными и заваливаются донными наносами. Взвешенных наносов бывает обычно больше, чем донных, но борьба с последними значительно труднее.
На горных участках рек донные наносы составляют значительный процент от количества взвешенных. Так, для Гизельдонгэс, Орджоникидзегэс, Загэс и Краснополянской ГЭС донные наносы составляют до 40% от взвешенных; для одной из предгорных ГЭС — 8%. Мероприятия по борьбе с этими двумя видами наносов в подпертых бьефах прямо противоположны.
Действительно, уменьшение заиления верхних бьефов взвешенными наносами в период прохождения мутной воды может быть достигнуто путем увеличения скоростей течения воды в бьефах, т. е. путем снижения уровня до предельной отметки, еще обеспечивающей требуемый водозабор деривации. Вместе с тем такое снижение уровня, сокращая длину подпорного участка, способствует завалу бьефов донными наносами и ускоряет приближение их к напорному фронту головных узлов, тогда как поддержание высоких уровней в верхнем бьефе способствует выпадению взвешенных наносов. Однако при таких уровнях донные наносы задерживаются на участке выклинивания подпора и, кроме этого, увеличивают отложение донных наносов за пределами бьефа, так как последние, откладываясь в начале подпора, создают дополнительный подпор на вышерасположенном участке.
После полного заиления верхнего бьефа приходится вести борьбу только с донными наносами. По мере подхода крупных наносов к водоприемнику, в целях борьбы с вовлечением их в деривацию, необходимо добиваться отложения этих наносов на низких отметках. Этого можно достигнуть лишь путем максимального снижения уровня в верхнем бьефе.
Обобщение опыта эксплуатации по заилению бьефов показывает, что отметка уровня в бьефах должна назначаться в зависимости от следующих факторов:
а) количества в твердом стоке реки донных наносов;
б) степени заиления бьефов;
в) размеров бьефов.
Так, например, поддерживать в верхнем бьефе высокие подпорные уровни полезно в следующих случаях:
а) в частично заиленных бьефах, т. е. в таких бьефах, в которых при нормальном подпорном уровне имеют уже место заиляющие скорости; в этих условиях необходимо форсировать борьбу с донными наносами;
б) в сравнительно небольших бьефах, расположенных на участках рек, где донные наносы находятся в значительном количестве и в которых подход этих наносов к головным сооружениям может произойти в течение пяти-семи лет.
Наоборот, поддерживать в верхних бьефах предельно возможные низкие уровни рекомендуется в следующих случаях:
а) бьефы имеют большие размеры; ГЭС работает всего два-три года и при нормальном подпорном уровне имеются заиляющие скорости течения;
б) с донными наносами можно не считаться, а необходимо форсировать борьбу со взвешенными наносами в целях защиты от заиления призмы суточного регулирования;
в) низконапорные (3—5 м) гидроузлы с короткими бьефами расположены на горных участках рек, где донные наносы находятся в значительном количестве и подход их к головным сооружениям может произойти в течение одного года;
г) ширина зеркала потока в подпертом бьефе почти равна ширине бытового зеркала.
Полный спуск верхнего бьефа следует производить не реже чем один раз в год, а при наличии возможности и чаще. В системах Грузэнерго и Арменэнерго полный спуск бьефа таких гидростанций, как Загэс, Рионгэс и Дзорагэс, производят не реже двух раз в год.
Надо иметь в виду, что слежавшиеся отложения наносов очень трудно привести в движение, а удаление отложившихся, успевших уже уплотниться глинистых частиц, вследствие их чрезмерной вязкости, требует приложения огромных скоростей течения воды. Поэтому смыв таких отложений возможен лишь под действием струй гидромониторов.
В случае неэффективности гидравлического промыва, для освобождения от наносов призмы суточного регулирования, надо применять механическую очистку.
С течением времени в бьеф (особенно при многоводных паводках) будут поступать все более и более крупные донные наносы, которые уже не смогут уноситься ни потоком, ни землесосами. При этом дно бьефа будет подниматься и одновременно каменный материал начнет продвигаться непосредственно к сооружениям головного гидроузла. Если в таких условиях своевременно не принять мер, то сооружения головного узла могут быть завалены каменным потоком.
Подобная картина имеет место на Краснополянской ГЭС после четырех лет эксплуатации. В таких условиях очистка бьефа возможна экскаваторами, бульдозерами или при подходящих условиях специальными струенаправляющими устройствами.
Тбилисский научно-исследовательский гидроэнергетический институт на основе своих наблюдений рекомендует для лучшего использования полного спуска бьефа, с целью промыва отложившихся взвешенных наносов, чередовать спуски и подъемы бьефа через небольшие промежутки времени. Пласты наносов после частичной просушки и повторного смачивания при подъеме уровня обваливаются после нового опорожнения и уносятся водой. Усиления эффекта промыва наносов таким способом можно добиться путем устройства узких каналов в толще наносов.
Чем ширина подпертого бьефа меньше отличается от бытовой, тем при прочих равных условиях эффект промыва такого бьефа путем полного спуска будет больше. Наилучший промыв будет иметь место тогда, когда бьеф находится в каньоне, т. е. когда ширина бьефа равна сумме пролетов водосброса. Хуже всего удаляются наносы из озеровидного водохранилища.
Гидравлический промыв наносов становится эффективным тогда, когда имеется возможность управлять направлением струй потока.
Полезно остановиться на описании техники промыва управляемым потоком на Гизельдонгэс и Краснополянской ГЭС, так как опыт этих станций представляет практический интерес.
Гизельдонгэс эксплуатируется с 1934 г. Обычный промыв призмы регулирования и бьефа путем его опорожнения в условиях этой станции ничего не может дать, так как бьеф имеет значительную ширину (до 160 м), средние расходы паводка не превышают 7 м 3 /сек, а водосбросный фронт крайне ограничен.
Краснополянская ГЭС — одна из немногих в Союзе, на которой уже приходится бороться с непосредственной угрозой завала сооружений головного гидроузла (на четвертый год эксплуатации) крупными донными наносами. Камни размером до 10 см и больше находятся в непосредственной близости от водосброса. Первоначальная длина подпора была около 400 м. Наибольшая ширина озеровидного бьефа 150 м.
Очистка бьефа на Гизельдонгэс ведется землесосами и переносными направляющими щитками. Дощатые (толщиной 3—5 см) щитки имеют ширину 1 м и длину 3—6 м. Для установки щитков применяются 1,5-м колья. Щитки устанавливаются в опорожненный бьеф с таким расчетом, чтобы собрать и направить поток в одно- два русла. Щитки под углом 15—20° к потоку направляют его таким образом, чтобы снизу подмывать крутые откосы наносных отложений. Подмытые откосы обрушиваются и наносы уносятся потоком. Щитки постепенно передвигаются в сторону размываемых откосов с таким расчетом, чтобы обеспечить требуемые для размыва скорости (от 1,5 до 2,5 м/сек). Обычно промыв щитками ведется вверх по течению. Число щитков, устанавливаемых в разных участках бьефа, превышает 100 шт. Для расстановки щитков требуется примерно 15—20 человек в смену. Щитки применяются для смыва песчаных фракций и мелкого гравия при уклоне русла — 0,01. Промыв щитками применяется уже в течение 17 лет. Оптимальный расход для промыва составляет 4—5 м3/сек (т. е. несколько меньше расхода среднего паводка).
Рассматриваемый метод промыва достаточно эффективен, так как количество ежегодно удаляемых наносов в среднем составляет 55 000 м3, т. е. 27% от первоначального объема призмы регулирования.
Промыв щитками в комбинации с гидромониторами давал лучшие результаты. Однако после войны эксплуатация отказалась от использования гидромониторов. Применение их в условиях Гизельдонгэс оказалось неэкономичным.
Крупным недостатком метода очистки щитками является необходимость длительной остановки ГЭС (10—12 суток), так как средняя суточная производительность промыва равняется 5000— 6000 м3.
На Гизельдонгэс двумя землесосами при работе в три смены ежегодно удаляется 90 000 м3. Удаление землесосами наносов требует в 1,7 раза меньше воды, чем удаление щитками (17 м3 и 28,5м3 на 1 м3 наносов).
Полная стоимость (с учетом стоимости энергии, теряемой со сбросом воды) удаления l м3 наносов щитками составляет 1 руб. 85 коп., соответственно землесосами 7 руб., а с перекачкой (удаление наносов с дальних дистанций) — 9 руб. 60 коп.
На Краснополянской ГЭС в 1953 г. прошел самый значительный паводок за все годы эксплуатации (193 м3/сек), заваливший бьеф крупным песком и галькой и изменивший обычную картину течения в бьефе. Вокруг острова из наносов образовалось два течения; при этом одно течение имело направление вдоль напорного откоса плотины и размывало его.
Отложившиеся от берега к берегу наносы были отсортированы потоком по крупности. Характер сортировки отвечал имеющемуся здесь повороту потока в плане, а именно: на выпуклой стороне потока легли. крупные фракции, на вогнутой — илистые отложения. Крупность наносов плавно уменьшалась от берега к берегу, что ясно было видно по разрезу оставшихся наносов после размыва острова. Гидростанции угрожал размыв плотины и, самое неприятное, завал сооружений крупной галькой. Однако дирекция ГЭС вышла из трудного и опасного положения. С помощью переносных направляющих поток щитков, устанавливаемых в спущенном бьефе, на Краснополянской ГЭС одновременно решили две задачи: очистку бьефа от донных наносов и ликвидацию путем промыва бьефа нежелательного направления течения.
Направляющая стенка опирается на трехногие опоры высотой 2,5—3 м следующей конструкции. Три ноги из жердей диаметром 8—10 см сведены вверху и скреплены металлическими связями. Две ноги, к которым прибиваются вразбежку 3—4 доски, воспринимают давление потока. Третья нога значительно наклонена; расстояние от линии основания передних ног до задней равно 3 м. Устойчивость опор обеспечивается также горизонтальным дощатым щитом, прибиваемым к их ногам и загружаемым камнями. Опоры ставятся почти впритык друг к другу. Обшивка одной опоры частично перекрывает соседнюю опору. Щиты устанавливаются так, чтобы направить поток в сторону тех наносов, которые должны быть смыты. Опору ставят в поток со скоростями течения до 2,5 м и выше. За обшивкой сразу же откладываются мелкие наносы. Скорость установки стенки (при готовых опорах) составляет 5 пог. м в час. Бьеф был очищен путем перестановки 12 опор; для его промыва потребовалось трое суток; работа была выполнена при расходах 70—80 м3/сек. Частичные промывы спущенного бьефа, по мере надобности, осуществляются и при меньших расходах воды.
Рассмотренный опыт двух гидростанций показывает, что:
а) путем гидравлического промыва хорошего удаления донных наносов можно добиться тогда, когда обеспечивается возможность управления направлением струй потока в пределах спущенного бьефа;
б) промыв спущенного бьефа управляемым потоком требует нескольких суток;
в) для возможности удаления из бьефа донных наносов, не прибегая к полной остановке ГЭС, необходимо располагать бассейном с резервной емкостью воды.
Следует отметить, что эксплуатация использует струенаправляющие стенки не только для сброса донных наносов в нижний бьеф, но и для изменения направления течения. Так, на Рионгэс с помощью установки стенки длиной 60 м (дощатая обшивка, опертая на треугольные деревянные рамы) в верхнем бьефе было ликвидировано течение, размывавшее откос плотины.
Борьба с завалом наносами понура имеет целью не допускать здесь отложений наносов на отметках равных или выше отметки порога. Снижения наносных отложений перед водоприемником можно добиваться систематическим поддержанием в период прохождения мутной воды на головном узле подпорных уровней на отметках, не превышающих тех, которые необходимы для забора в деривацию фактически потребляемого ею в каждый данный момент расхода (при полном открытии щитов водоприемника). По мере спада паводка отложение наносов на понуре увеличивается. Поэтому в конце паводка понур должен быть промыт путем кратковременного спуска бьефа. Длительность кратковременного спуска, бьефа с полным прекращением водозабора деривации, но без остановки ГЭС, зависит от емкости деривации, предварительно наполненной до максимально возможных пределов. Возможность спуска бьефа облегчается при наличии бассейна суточного регулирования.
В паводковый период поддержание порога свободным от наносов не представляет трудностей вследствие наличия воды для промыва. С окончанием паводка необходимость в промывах ослабевает, но не устраняется. В период нехватки воды на промыв можно очистку порога осуществлять путем быстрого и полного, но весьма кратковременного (1—3 мин) открытия затвора промывной галереи за счет уменьшения водозабора деривации. Необходимо полное открытие, так как частичное открытие может вызвать завал галереи наносами. Длительность промыва уточняется по цвету сбрасываемой через галерею воды.
Очистка от наносов порога, имеющего донные промывные галереи, должна вестись также и для того, чтобы не допустить завала входных отверстий больше чем на половину их высоты.
После пропуска паводка, при наличии на понуре отложений наносов, превышающих порог водоприемника, в целях борьбы с вовлечением наносов в деривационный канал следует принимать меры к уменьшению скоростей течения на понуре. Для этого при всех водозаборах в верхнем бьефе надо поддерживать нормальный подпорный уровень. Наносы, осевшие на горизонтальной площадке водоприемника, удаляются в моменты снижения уровня в верхнем бьефе ниже отметки площадки. Наносы убираются вручную с помощью обратного тока из камеры отстойника (если отстойник совмещен с водоприемником) или размываются мотопомпой.
Для улучшения качества работы отстойника можно указать на следующие мероприятия:
- все щиты верхней головы отстойника должны быть полностью извлечены из воды;
- основные мероприятия по улучшению качества отстоя должны сводиться к выравниванию скоростей в камере, а также к выравниванию расходов между камерами; указанное выравнивание может достигаться путем маневрирования успокоительными решетками и путем небольших опусканий щитов на нижней голове той камеры, где скорости больше;
- измерение скоростей в камерах с целью контроля за выравниванием расходов воды; эти измерения могут производиться путем спуска по оси камеры гидрометрического шеста, фиксирующего величину средней скорости по длине в камере, или путем обычных поплавков; выравнивание скорости течения можно считать достигнутым после того, как разность между крайними значениями скоростей в камерах не будет превышать примерно + 30%;
- при сбросе паводков ухудшаются условия промыва отстой
ника в связи с подтоплением промывных отверстий, расположенных в нижнем бьефе; усиление эффекта промыва отстойника может быть достигнуто путем кратковременного снижения уровня нижнего бьефа; такое снижение может быть получено за счет уменьшения сбросного расхода, достигаемого ценой небольшого повышения уровня в верхнем бьефе.
Чтобы не уменьшать эффекта работы отстойника, необходимо в самом канале бороться с засорением потока. С этой целью необходима очистка берм от осыпей, очистка нагорных канав и уборка камней с откосов.
В периоды пониженной нагрузки гидростанции, в саморегулирующейся деривации, в целях борьбы с ее заилением, необходимо поддерживать такие пониженные уровни, которые обеспечивали бы лишь пропуск требуемых станцией расходов воды.
Должна вестись активная борьба с селевыми потоками вдоль деривации. С этой целью легко размываемые участки селевых балок должны прикрываться рядом фильтрующих перемычек из местных крупных камней. Должен быть налажен учет расхода селевой массы путем регистрации максимального наполнения селепроводов с помощью нанесенных на них краской водомерных шкал.
Очистка бетонированного канала от наносов в условиях нормальной его работы весьма затруднительна и требует значительного времени. В таких случаях уборку наносов можно производить с помощью скрепера, передвигаемого по дну двумя лебедками на тросах. При этом одна лебедка оттаскивает порожний скрепер к берегу; вторая лебедка, на другом берегу, осуществляет рабочий ход скрепера под углом к оси канала. При опорожненном канале удаление со дна крупных наносов можно осуществлять с помощью ящиков, вытягиваемых веревками (тросами) по уложенным на откосах стремянкам, и другими приемами.
§ 40. Промерные работы
С целью контроля за степенью завала наносами верхнего бьефа, а также с целью выявления состава отложений должны производиться промерные работы.
Сведения о заилении верхнего бьефа необходимы эксплуатационному персоналу гидростанции, так как по мере завала бьефа наносами неизбежно должен меняться эксплуатационный режим сооружений. Увеличение скоростей течения в верхнем бьефе и в пределах головного узла влечет за собой изменение условий эксплуатации: уменьшается призма регулирования, начинается подход донных наносов к водозабору и сброс их в нижний бьеф; осложняется борьба с сором, меняется схема борьбы с зимними затруднениями и т. д. Режим наносов в верхнем бьефе влияет на деформацию русла в нижнем бьефе. Пока наносы оседают в пределах верхнего бьефа, русло в нижнем бьефе размывается сильнее обычного. Со сбросом донных наносов в нижний бьеф участок креплений в нижнем бьефе может заваливаться наносами. Поэтому необходимы промеры также в нижнем бьефе для выявления размеров размыва или отложений наносов. В необходимых случаях могут быть приняты меры по уменьшению размыва (например засыпка размыва крупном камнем и др.).
Промеры должны производиться не реже одного раза в год: в осеннюю межень обязательно; повторные промеры удобно производить со льда (в конце ледостава). Для возможности сопоставления результатов промеры выполняются на постоянных поперечниках, на постоянных точках, отсчитываемых от репера. С этой целью поперечники должны быть прочно закреплены на берегах реперами и иметь постоянные номера. Поперечные профили должны строиться в абсолютных отметках. Поэтому при промерах рабочий уровень необходимо давать в абсолютных отметках. Для получения таких отметок вблизи поперечников необходимо иметь высотные реперы и нивелировкой от этих реперов получать отметку кольев, забитых в момент производства промерных работ вровень с водой. Промерные точки на профилях находятся по размеченному гибкому тросу, переносимому с поперечника на поперечник. В широких бьефах промеры можно производить по методу засечек, определяемых по двум базисам (одним базисом служит сам поперечник, другим — нанесенная на план линия на берегу). Засечки производятся кипрегелем или теодолитом. В процессе промерных работ должен определяться состав отложившихся наносов путем взятия со дна проб наносов.
Для предотвращения завала порога водоприемника наносами необходимо производить контрольные промеры один-два раза в сутки. Учитывая трудности производства промеров при больших скоростях на пороге, можно ограничиваться промерами лишь участка порога, примыкающего к устою. Одновременно должно проверяться наличие наносов на горизонтальной площадке водоприемника.
Наличие заиления деривационных каналов также проверяется промерами на стационарных поперечниках.
Необходимость промыва камеры отстойника подтверждается достижением отложений наносов предельных отметок, что контролируется промерами у обеих ее стенок как в голове, так и в конце камеры. Участки входной воронки перед отстойником также проверяются со стенок.
Для того чтобы располагать ориентировочными данными о крупности наносов, проходящих через турбины, в напорном бассейне производятся наблюдения за интенсивностью заиления и за крупностью оседающих наносов. Высота отложений может определяться со стенок или специальными промерными устройствами в любой точке бассейна (см. ниже).
Заиление бассейна суточного регулирования и возможные деформации русла в отводящем канале ГЗС также должны проверяться промерами на постоянных поперечниках.
Данные о крупности отложившихся наносов в исследуемых местах в условиях эксплуатации могут быть получены путем взятия проб с помощью ведра, опускаемого и влекомого по дну на веревке. Чтобы заставить ведро передвигаться по дну в горизонтальном положении, к его дужке надо привязать груз (камень и т. д.). При промерах футштоком суждение о составе наносов по крупности можно получить по ощущению, получаемому в руке промерщика. Взятие проб наносов в напорном бассейне можно осуществлять следующим образом. На участке с медленным течением на дно опускается ведро с тяжелым камнем. Через. определенный промежуток времени ведро извлекается для осмотра пробы.
Для промеров в пределах сооружений при скоростях течения v < 0,5 м/сек и при отсутствии плавучих средств может быть рекомендовано следующее устройство. Тонкий разметочный трос или проволока с делениями через 1—2 м протягивается между берегами на поперечнике. По этому тросу перемещается двойной блок. По нижнему блоку передвигается мерный лот на тонком шнуре с разметкой через 1 м. Блок над требуемым местом погружения лота устанавливается с помощью двух тонких проволок (шнуров). На одном берегу шнур отдается, на другом — блок подтягивается до требуемой промерной точки. При значительной скорости течения, чтобы помешать большому угону лота, к концу мерного шнура крепится тяжелый груз. Для уменьшения скорости течения при промерах следует практиковать подъем уровня. Это же блочное устройство с успехом может быть использовано для работ с гидрометрической вертушкой, в камере отстойника, в лотке и т. д., а также для установки мерного ведра для взятия проб наносов в желаемой точке сооружения.
