Обычно в проекте стремятся получить порог водоприемника на отметке выше отложений наносов в пределах понура. Однако, если такие пороги удается осуществить до некоторой степени лишь на гидроузлах со сравнительно большими напорами (Н > 8 м), то перед водоприемниками низконапорных узлов наносы на понуре часто образуют завалы, превышающие отметку порога. Причина этого явления заключается в том, что при формировании на подпертом участке нового русла (без особых изменений ширины зеркала), после завала его наносами, устанавливается глубина, равная бытовой для данного паводкового расхода; это приводит к большим отложениям наносов на понуре.
На фиг. 6 дана схема узла низконапорной ГЭС (напор на узле 4,5 м, высота порога 1,5 м), где при паводке 100 м3/сек бытовая глубина равняется 1, 75 м, что дает отметку наносов на понуре, при нормальном подпорном уровне, на 1,3 м выше порога. Конечно, при исключительном паводке уровень наносов может быть несколько ниже порога. Однако при спаде паводка уровень наносов на понуре вновь быстро поднимается выше порога (вследствие незначительной емкости подходного участка к водоприемнику).
Промывной эффект при нормальном уровне крайне незначителен, так как распространяется всего лишь на несколько метров. Естественно, что порог, обычно имеющий длину в несколько десятков метров, промывом не захватывается. Для усиления промыва порога водоприемника прибегают к значительному снижению подпорного уровня в бьефе. Например, на Дзорагэс (длина порога 31 м, высота 3 м) уровень снижается на 2 м, так как здесь по проекту водозабор осуществляется при двух отметках уровня в верхнем бьефе: в период межени — при нормальном подпоре, а в период паводка — при пониженном подпоре. На Баксангэс (длина порога 67,5 м, высота от 2 до 3 м) удаление наносов возможно лишь при полном спуске бьефа.
Возможная длина промытой зоны зависит также от крупности отложившихся наносов. Промывной эффект резко уменьшается для донных наносов. Крутизна откоса несмытых наносов всегда увеличивается после подхода к понуру крупного песка и гравия.
Большое распространение получил метод промыва порога с помощью донных промывных галерей, имеющих отверстия в вертикальной стенке (Кадырьягэс, Чирчикгэс, Орджоникидзегэс, Майкопгэс и др.). Промывной эффект этих донных отверстий, по наблюдениям автора на ряде ГЭС, а также по лабораторным исследованиям, выражается в создании вдоль порога смытой полосы шириной поверху лишь в 1 м. При этом ширина несколько увеличивается при мелких наносах и падает при крупных. При паводковых расходах смытая полоса вновь заносится через 10-20 минут. Поэтому промывные галереи должны действовать непрерывно.
Необходимо отметить, что промыв порога крайне затрудняется. если разность уровней в бьефах незначительна; в таких случаях гравий начинает попадать на порог водоприемника. Так, порог водоприемника Кадырьягэс, расположенного в конце короткого бьефа, через три-четыре года эксплуатации стал заваливаться гравием размером до 10 см; пришлось перейти к промыву наносов с помощью затвора плотины.
Многочисленные наблюдения автора показали, что максимально возможный промывной эффект порога водоприемника достигается в первые же минуты после полного поднятия щита промывной галереи. При недостатке воды на промыв значительная ее экономия может быть достигнута только в том случае, если в промывных галереях устанавливаются быстродействующие щиты, которые могут полностью освобождать живое сечение галерей в течение, по крайней мере, 0,5 минуты. Ни одна из ГЭС не имеет таких щитов. Например, на Майкопгэс скорость подъема затвора — 0,76 м/мин. Поэтому при высоте галереи 1,5 м для полного ее открытия потребуется 2 минуты; на Орджоникидзегэс продолжительность. подъема щитов та же. На Чирчикском каскаде маневрирование со щитом галереи представляет собой громоздкую операцию, так как подъемным механизмом является портальный кран.
Затворы в промывных галереях устанавливаются в средней их части или в конце. Подобное расположение затворов не предохраняет галереи от попадания в них крупного донного мусора, топляков и др. Удаление заклинившегося в галереях мусора представляет большие трудности. Необходимо защищать галереи от попадания в них плавающих тел путем перегораживания каждого входного отверстия на две или три части металлическими стержнями с таким расчетом, чтобы максимальный размер попадающих в галерею предметов был в несколько раз меньше минимального размера ее поперечного сечения. Необходимо также предусматривать лаз в потолке галереи для ее очистки.
На многих ГЭС наблюдается попадание наносов в деривацию через удаленный от водосброса участок порога, вследствие плохой его промываемости. Для борьбы с этим нежелательным явлением необходимо крайнее промывное отверстие донной галереи располагать у берегового устоя водоприемника и, кроме того, отверстия ставить не на равных друг от друга расстояниях, а сближать их по направлению к водосбросному отверстию плотины (см. фиг. 8).
Kpoмe непосредственного попадания наносов в деривацию через. плохо промытый порог происходит переброска крупного песка и мелкого гравия через порог. Подобные явления имеют место при:
- сбросе больших расходов воды через водосбросное отверстие плотины, примыкающее к порогу;
- работе промывных галерей большими расходами воды;
- высоких отметках отложения наносов на понуре и при больших относительных заборах воды в деривацию; образующиеся в таких условиях, в пределах смытой полосы вдоль порога, горизонтальные вальцы интенсивно перебрасывают наносы в деривацию.
При этом на пороге наблюдается своеобразная гидравлическая картина. Поверхность потока с большими скоростями течения разрывается нисходящими и восходящими вихрями. При взбрасывании вихрей со днз поднимаются частицы наносов. При этом зеркало потока окрашивается «пятнами» цвета песка разных оттенков. Взятые автором в таких «пятнах» пробы воды батометром мгновенного наполнения обнаруживали присутствие песка крупностью до 2 мм (Дзорагэс, Кадырьягэс). Следует отметить, что подобная переброска наносов в деривацию крайне нежелательна в том случае, когда в составе сооружений головного узла отсутствует отстойник.
При боковом подходе потока к водоприемнику в период паводка плохо обеспечивается плавность его входа. Так, по наблюдениям автора (1936 г.), причиной крайне неудовлетворительной гидравлики узла, представленного на фиг. 7, является отсутствие плавного входа в водоприемник. Направляющая вертикальная стенка переходит под тупым углом (120°) в вертикальную же стенку горизонтальной площадки водоприемника без всякого закругления.
Фиг. 7. Головной узел
1 — отложение наносов; 2 — укрепленный откос; 3 — горизонтальный порог перед водоприемником; 4 — плотина; 5 — туннельный водосброс; 6 — двухкамерный отстойник; 7 —деривационный туннель
При входе наблюдается отход потока от левой стенки водоприемника с образованием здесь застойной зоны. В пределах этой зоны усиленно откладываются наносы.
Размер зоны зависит от следующих факторов:
а) величины подходной скорости течения к водоприемнику;
б) величины относительного забора воды в деривацию.
Так, при расходе в реке 115 м3/сек (относительный забор 12%) застойная зона захватывает весь вход в левую камеру отстойника. При расходе 405м3 /сек (относительный забор 2,5%) почти вся площадь водоприемника оказывается в области застойной зоны, а подходная скорость доходит до 3 м/сек.
На фиг. 8 представлена схема узла, где имеет место аналогичное очертание входа потока. Однако там застойная зона почти не наблюдается, так как деривация забирает почти весь поток при подходной скорости 1 м/сек.
Фиг. 8. Схема головного гидроузла
1 — отверстия промывных донных галерей; 2 — шугосброс; 3 — вход в деривацию;
4 — водобойный колодец; 5 — смотровые колодцы промывных галерей
На площадке водоприемника Дзорагэс отложения наносов при малом относительном заборе столь значительны, что наносы попадают даже в пролеты верхней головы отстойника и препятствуют опусканию щитов. Значительная застойная зона и отложения наносов в пределах самого водоприемника увеличивают потери напора на входе.
Естественно, что затруднения с наносами в пределах водозабора усиливаются по мере отложения наносов в верхнем бьефе. Завал бьефа увеличивает подходные скорости к водоприемнику и крайне осложняет промыв понура и порога, так как последние приходится очищать уже не от мелких наносов, а от крупного песка и гравия.
При большом количестве наносов короткие бьефы заваливаются в первые же недели эксплуатации. Продолжительность завала бьефов со средненапорными головными узлами измеряется годами и зависит от величины твердого стока и емкости бьефов. Например, Краснополянская ГЭС с напором на головном узле в 9 м, хотя и имеющая короткий бьеф длиной 400 м, в течение трех лет боролась только со взвешенными наносами, так как река имеет незначительный твердый сток. С другой стороны, на Майкопгэс, расположенной на предгорном участке реки с большим количеством наносов, несмотря на значительный напор на головном узле (10,5 м), в течение трех лет эксплуатации емкость бьефа длиной 4 км уменьшилась с 2,5 до 0,5 млн. м3. Верхний бьеф Чирчикгэс длиной 2,5 км, с напором 10 м на головном узле, через семь лет был заилен на 80%; через десять лет гряда крупных донных наносов находилась на расстоянии 1,2 км от плотины, а гравий подошел к водоприемнику.
