Глава пятая
ОТВОДЯЩЕЕ РУСЛО ЗДАНИЯ ГЭС
5-1. ЭЛЕМЕНТЫ ОТВОДЯЩЕГО РУСЛА И ЗАДАЧИ ЕГО РАСЧЕТА
Отводящее русло — участок нижнего бьефа, служащий для отвода от здания ГЭС воды, поступающей из отсасывающих труб и из водосбросов ГЭС. Конструктивное оформление отводящего русла в значительной мере зависит от компоновки гидроузла, грунтов и характеристик потока, поступающего в нижний бьеф.
Как и у водосбросных плотин, отводящее русло здания ГЭС имеет водобой, т. е. участок нижнего бьефа за сооружением, находящийся под непосредственным воздействием потока, поступающего через здание ГЭС, рисберму — последующий за водобоем участок нижнего бьефа, в пределах которого в процессе выравнивания скоростей и уровней рассеивается избыточная кинетическая энергия, концевое крепление, защищающее рисберму от подмыва, открылки сопрягающих устоев, защищающие от размыва берега или примыкающие к зданию земляные сооружения, раздельные стенки, отделяющие во избежание образования сбойных течений части сбросного потока, имеющие отличные характеристики.
Несмотря на то, что в нижний бьеф совмещенных ГЭС сбрасывается поток, несущий значительное количество избыточной энергии, гасители энергии в нижнем бьефе, как правило, отсутствуют, поскольку потери энергии на гасителях уменьшают напор турбины. Но устройство водобойного колодца за совмещенным зданием ГЭС в некоторых случаях неизбежно, хотя наличие колодца уменьшает возможность увеличения напора турбины за счет перепада восстановления, т. е. снижает энергетические качества турбинного блока.
Гидравлический расчет отводящего русла прежде всего заключается в выборе высотного положения его элементов и планового их очертания. Если высотное положение горизонтального участка водобоя и рисбермы плотины определяется лишь требованиями приемлемых условий сопряжения бьефов, допустимых скоростей в пределах русла, то высотное положение водобоя и рисбермы зданий ГЭС, кроме того, должно удовлетворять энергетическим требованиям; во избежание значительной потери напора турбин необходимо обеспечить отвод от здания ГЭС воды при целесообразно допустимых потерях энергии в нижнем бьефе.
Гидравлический расчет отводящего русла включает определение силового воздействия потока на конструктивные элементы русла для последующего определения их размеров: протяженности креплений, толщины плит, крупности камня, глубины ковша концевого крепления и пр., а также для расчета глубины размыва.
При проектировании отводящего русла необходимо знать режимы нижнего бьефа, которым посвящается гл. 6.
Расчет высотного положения водобоя здания ГЭС, обеспечивающего отсутствие подпора, связан с определением влияния перепада восстановления на напор турбин. Основы расчета высотного положения водобоя изложены в § 2-5.
5-2. ОЧЕРТАНИЯ ЛИНИИ ВРЕЗКИ В БЕРЕГ ОТВОДЯЩЕГО РУСЛА
При расположении отводящего русла в береговой врезке очертание береговой линии должно определяться технико-экономическим расчетом. При этом должно быть обращено внимание на гидравлические, геологические и другие особенности объекта, а также на условия строительства. Надлежащий учет таких особенностей может изменить решения, кажущиеся очевидными.
Расположение здания ГЭС во врезке способствует стабилизации течения в нижнем бьефе, поскольку криволинейная форма русла в плане является единственно устойчивой формой движения воды, что следует из поведения естественных потоков. Поэтому исходя из задачи обеспечения устойчивости потока береговая компоновка вполне целесообразна при технико-экономической обоснованности врезки отводящего русла в берег. И. И. Леви указывает, что во избежание возникновения сильной поперечной циркуляции следует руководствоваться рекомендацией А. Я. Миловича, согласно которой радиус кривизны отводящего русла должен быть не менее 2,5—3 длин здания ГЭС [148]:
(5-1)
Рис. 5-1. К определению очертаний линии врезки отводящего русла в берег.
а — линии токов, найденные аналитически для русла бесконечной ширины; б — план течения, построенный методом ЭГДА. (Исходную схему — см. рис. 3-2,а.)
Следует отметить, что рекомендация А. Я. Миловича справедлива для относительно (по сравнению с глубиной) узкого русла. Для более широких русел кривизна их может быть большей.
Но при большой кривизне отводящего русла и размываемых грунтах требуется проведение соответствующих мероприятий по защите берега от размыва, так как размыв берега в последующем приведет к блужданию потока в нижнем бьефе, перемещению наносов и создаст ряд помех для эксплуатации гидроузла.
Упрощенная попытка найти оптимальное очертание береговой линии врезки путем сочетания аналитического расчета и лабораторных исследований содержится в работе [323]. Решение это не учитывает возможного влияния поворота потока на характер и величину размыва за креплением отводящего русла и потому даже при соотношении глубины и ширины врезки, равном имевшемуся на модели, еще менее общее, чем аналогичное решение для подводящего русла, рассмотренное в гл. 3. Но оно дает представление о целесообразных очертаниях и возможной длине врезки. Рассматривается случай, когда заданная величина врезки h отводящего русла в берег равна длине В здания ГЭС и составляет 0,4—0,5 ширины верхнего бьефа перед врезкой.
Таблица 5-1
Безразмерные координаты линии врезки в берег отводящего русла
Продолжение табл. 5-1
Поток в отводящем русле принимается потенциальным. Используется совпадение линий тока вблизи стенки в русле бесконечной ширины с внезапным сужением (рис. 5-1,а) и в схематизированном русле (с береговой линией, образующей внезапное сужение) (рис. 5-1,б). За очертание линии врезки русла принята линия тока ψк, найденная аналитически, и повторяющая ее линия ψЭГДА=0,15, полученная методом ЭГДА.
Как и для подводящего русла, представляется возможным получить безразмерные координаты линии врезки русла в берег (табл. 5-1).
При различных значениях l/h координаты береговой линии определяются по формулам:
(5-2) где х и у — безразмерные координаты точек 1—12 по табл. 5-1. Начало координат можно принимать в конце раздельной стенки между зданием ГЭС и плотиной.
Рис. 5-2. Варианты отводящего русла, исследованные на гидравлической модели.
Исследования на гидравлической модели пяти вариантов очертания врезки (рис. 5-2) показали, что при глубине воды в отводящем русле, приведенной к натуре, tот=2,5 м, средней скорости 1,5 м/сек коэффициент сопротивления русла можно ориентировочно выразить. следующей зависимостью:
(5-3)
Потери напора вычисляются по скоростному напору в отводящем русле. При частичной врезке здания ГЭС в берег скоростной напор вычисляется по расходу турбин той части здания, которая расположена во врезке.
