Эксплуатация деривационных ГЭС - Виды и условия ледовых образований в пределах гидросооружений

Глава IV
ВИДЫ И УСЛОВИЯ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ПРЕДЕЛАХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

§ 13. Влияние скорости течения на вид ледовых образований

Все виды ледовых образований — кристаллический лед, шуга, донный лед — встречаются в пределах гидротехнических сооружений.
Основным фактором (кроме метеорологического), влияющим на виды ледовых образований в верхнем бьефе и в пределах сооружений, являются скорости течения. Поэтому, если представляется возможность путем управления уровнями и расходами в пределах сооружений регулировать и изменять скорости течения воды, то можно добиться возникновения тех ледовых образований, которые в данный период времени наиболее удобны для эксплуатации.
Как известно, ледяной покров не образуется, если поверхностная скорость течения v > 1 м/сек. Конечно, при крайне низких температурах воздуха скорость течения воды, исключающая возможность образования льда, будет больше. Образование заберегов зависит не только от скорости течения, но и от устойчивости уровня воды. При больших колебаниях уровня и при скорости течения до 1,5—2 м/сек забереги, как правило, отсутствуют. В таких случаях наблюдается лишь обледенение бетонной облицовки канала в пределах амплитуды колебаний уровня.
Внутриводный лед или шуга образуется в переохлажденной воде, т. е. в воде, температура которой хотя бы на несколько тысячных долей градуса ниже нуля. Переохлаждение потока начинается с его открытой поверхности. При больших скоростях течения и при интенсивном перемешивании воды переохлаждение распространяется и в глубинные слои. Резко выраженный на порожистых участках реки турбулентный режим вызывает интенсивное перемешивание воды. Частое взбрасывание струй на поверхность потока способствует быстрому его охлаждению. При этом охлаждение осуществляется двумя путями: путем турбулентной теплопроводности и путем захвата массой воды частичек «морозного» воздуха (аэрация потока).
В толще и на поверхности переохлажденного потока формируется внутриводный лед или шуга. Если поток на порожистых участках переохладился на всю свою глубину, то внутриводный лед образуется по всей толще потока. Шуга обладает свойством примерзать к любым предметам, находящимся в массе переохлажденной воды. Например, если температура воды в глубинных слоях меньше нуля, то камни и частицы ила покрываются внутриводным льдом; покрываются этим льдом даже деревянные решетки (опыт Кадырьягэс). По обмерзанию всех или только некоторых проволочных цилиндров (стаканов), привязанных на разных глубинах к вертикально опущенной на дно веревке, можно судить о глубине слоя переохлажденной воды.

§ 14. Условия шугообразования

Чем больше скорости потока, тем больше потери тепла за счет турбулентной теплопроводности. Чем меньше глубина, чем шире зеркало потока, тем интенсивнее его охлаждение. Эти благоприятные факторы для переохлаждения обычно присущи горным потокам. Поэтому на таких потоках наблюдается почти полное переохлаждение воды. Так, например, это явление встречается на р. Чирчик. Длина реки 250 км, считая до вододелителя Юмалак-Тепе, от которого до сооружения Чирчикского каскада гидростанций получал воду арык Боз-су. Благоприятная обстановка для интенсивного охлаждения потока наблюдается также на участке этого арыка длиной 15 км, с глубинами до 1,5—2 м, со скоростями течения до 2,5 м/сек. В результате подобного режима вода, пройдя короткий верхний бьеф Кадырьягэс [Л. 8] и деривационный канал длиной 5 км, с глубинами до 2,75 ми скоростью течения 1 м/сек, сохраняет отрицательную температуру во всей своей толще. Поэтому турбинные решетки (без электрообогрева) покрывались сплошь внутриводным льдом; покрывались также и все индикаторные сетки, установленные в конце канала.
Обычная величина суточного минимума температуры воды была —0,040—0,045°. За период исследований были зарегистрированы наибольшие минимумы —0,065 и —0,054°. Эти температуры воды наблюдались после длительных больших снегопадов. Температура измерялась на глубине 0,20—0,25 м от поверхности микротермометром. Интенсивность шугообразования при одинаковой температуре воздуха значительно возрастала при небольшой его влажности, особенно при ветре.
В табл. 9 приведены данные по Кадырьягэс, подтверждающие высказанное положение.
Таблица 9

Уменьшение шугообразования при влажности воздуха также можно иллюстрировать наблюдениями автора на Орджоникидзегэс, когда в течение трех суток подряд, при среднесуточных температурах 16—17,5° и минимальных до 20,5° мороза, но при сыром воздухе, шуги было необычно мало.
Вторым примером сильного переохлаждения воды можно привести данные из опыта Орджоникидзегэс. Длина р. Терек до головного узла гидростанции 90 км. Суммарная же длина всех многочисленных притоков реки 700 км. Шугообразование на Тереке доходит до 25%. Зимой длина подпора в верхнем бьефе ГЭС ничтожна. Однако грубые решетки водоприемника обмерзают лишь на глубину до 0,25 м. Возможно, что скорость до 2,5 м/сек в пределах решеток защищает их от интенсивного обмерзания внутриводным льдом.
Следует отметить, что плывущие по каналу скопления шуги не означают еще наличия в канале переохлажденной воды, так как шуга может сформироваться вне канала, в верхнем бьефе (транзитная шуга).
Структура шуги свидетельствует о ее возрасте. Шуга в момент своего зарождения имеет вид тончайших ледяных пластинок. Пластинчатая шуга, пройдя в потоке некоторый путь и подвергаясь воздействию скоростей, укрупняется и приобретает округлую форму (чечевице- или горохообразную). Поэтому транзитная шуга обычно состоит из мелких шариков неправильной формы. Пластинчатую шугу автор наблюдал на разных глубинах и всегда вблизи мест своего зарождения, например в напорном бассейне одной ГЭС на сетчатых цилиндрах, на глубине от поверхности не свыше 1 м (общая глубина 9,5 м). В это же время на всем открытом деривационном канале никаких шуговых образований не обнаруживалось, так как вода начинала переохлаждаться только в конце канала.
Такая же шуга наблюдалась в аванкамере Днепрогэс, но лишь в поверхностных слоях, так как вода с отрицательной температурой наблюдалась только в этих слоях. Шуга здесь была обнаружена в условиях затянувшегося осеннего ледостава в верхнем бьефе, при резком падении температуры воздуха и при сильной ветровой волне.
В аналогичных условиях наблюдается шугообразование и на других гидростанциях. Благодаря полной прозрачности воды на одной ГЭС легко можно было видеть, как с глубины 4 м всплывает пластинчатая шуга, а также топляки, густо покрытые пластинчатой шугой. Перед турбинными решетками на глубине до 3 м с помощью герметически закрытой электролампы были видны пластинки внутриводного льда. При этом частые необогреваемые решетки быстро покрываются такими пластинками на глубину до 4,5 м, при общей глубине 9 м. Интенсивность обмерзания падает с глубиной.
В нижнем бьефе Днепрогэс, на расстоянии 8 км от плотины, на глубине до 2,5 м, при скорости течения около 1 м/сек, автор наблюдал пластинки шуги толщиной 1—2 мм и размером до 1 х 2 см (иногда с примесью чечевицеобразной шуги). Чем ближе ко дну была расположена сетка, тем больше пластинок шуги было покрыто частицами ила и песка и тем меньше они были прозрачны, так как примеси заключались и внутри них. Наоборот, совершенно чистые прозрачные пластинки покрывали сетки, расположенные у поверхности. Переохлаждение воды происходило вследствие того, что в первый год эксплуатации имели место значительные сбросы воды с высокой плотины, захватывавшей у ее основания большое количество морозного воздуха (среднесуточная температура — 5,5°).
На предметах, лежащих на дне и на откосах деривационного канала Кадырьягэс, также наблюдался внутриводный лед. Донный лед представлял собой беспорядочное нагромождение кристаллов льда разнообразной пластинчатой формы, иногда с примесью иголок. В общей своей массе лед имел губчатое строение. Донный лед наблюдался и на габионах.
Если дно переохлажденного водотока покрыто мельчайшими частицами ила или песка, то наблюдается перемещение по дну полувзвешенных в воде частиц разжиженного ила, перемешанного с ледяными кристаллами. При этом частицы ила или песка становятся как бы ядром для кристаллизации льда. Забивка турбинных решеток подобной шугой наблюдалась на Бозсуйской ГЗС. Иногда всплывал очень грязный донный лед. Обычно забивка решеток придонной шугой происходила при некотором понижении уровня у плотины (глубина 3—4 м). Очевидно, что с увеличением донной скорости приходили в движение массы ила.
Аналогичное явление смешивания шуги с илом автору приходилось наблюдать в начале подпорного участка верхнего бьефа Днепрогэс. В месте выклинивания кривой подпора на участке Кайдакских порогов илистая шуга приходила в движение, а ниже по течению входила в состав зажорных масс. В лунках, пробитых на участке зажора, илистой шуги было так много, что вода была окрашена в коричневый цвет. Шуга была пластинчатая и частично зернистая.
Образование донного льда возможно по двум причинам. Только что рассмотренные случаи возникновения донного льда являются частными случаями образования внутриводного льда.
Вторая причина зарождения донного льда связана с появлением отрицательных температур в бетонной облицовке канала, возникающих в результате значительного обнажения откосов при не-. больших глубинах воды в канале. Это явление можно сравнить с явлением обмерзания стержней решетки в воде на небольшой глубине от поверхности, если они выступают над уровнем воды. Это можно также сравнить с обмерзанием полотнища затвора с напорной стороны, обнаженного со стороны нижнего бьефа. Автор наблюдал в лотке быстротока холостого сброса Свистухинской ГЭС образование льда молочного цвета, разбросанного по дну островками, при наполнении лотка не более 0,25 м и морозе 17 °. В суровую зиму 1949—50 г. в канале Баксангэс (шириной по дну 2,15 м) образовался донный лед в условиях крайнего зимнего минимума расхода воды, при глубине 0,75 м (нормальная глубина 3 м).
В заключение рассмотрим еще один вид если не ледового материала, то родственного ему, — снежуры.
На деривационных каналах, протрассированных в открытой степной или вообще безлесной местности, при господствующем поперечном к трассе канала направлении ветра, а также при отсутствии ледяного покрова, приходится бороться с большими массами снега, попадающего в воду (снежура). Снежура вследствие своей вязкости проходит через турбинные решетки с большими затруднениями, чем шуга. Снежура в большом количестве способствует охлаждению потока. Пройдя порожистые участки реки, снежура приобретает округлую форму. Интересно отметить, что при обильном снегопаде на всех опущенных в воду сетках, а также и на грузе автор наблюдал такую же окатанную снежуру, какая в это же время перемещалась на поверхности потока в канале Кадырьягэс. При этом на сетках, кроме снежуры, других образований не было.