5-3. СОПРЯГАЮЩИЕ И СТРУЕНАПРАВЛЯЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ ОТВОДЯЩЕГО РУСЛА
Низовые открылки сопрягающих устоев, защищающие берега или примыкающие к зданию ГЭС или водосбросной плотине земляные сооружения от размыва, должны также обеспечивать плавное расширение потока в плане для получения равномерного распределения скоростей и удельных расходов по ширине русла. Во избежание образования ’непосредственно за сооружением поперечных течений в нижний бьеф выдвигается шпора, которой может являться удлиненный открылок устоя или дамба. По линии раздела водосбросных сооружений различного типа в нижний бьеф выдвигается раздельная стенка.
В некоторых случаях раздельные стенки устраиваются для деления непосредственно за зданием ГЭС широких отводящих русл на несколько более узких начальных участков.
Поскольку сопрягающие сооружения отводящего русла предназначены для выравнивания потока, борьбы со сбойностью, они являются одновременно струенаправляющими сооружениями. Характерными случаями, встречающимися при проектировании сопрягающих сооружений отводящего русла, являются следующие (рис. 5-3):
1) здание ГЭС примыкает к земляной, каменной или к глухой бетонной плотине; 2) к водосливной плотине; 3) совмещенное здание, примыкающее к глухой или водосливной плотине.
В каждом из этих случаев длина открылков, струенаправляющих дамб и стенок, раздельных стенок диктуется конструктивными и гидравлическими требованиями, а их форма в плане определяется в основном гидравлическими требованиями.
7
Рис. 5-3. Сопрягающие и струенаправляющие открылки, дамбы и раздельные стенки отводящего русла. а—в — здание ГЭС примыкает к земляной плотине; г — то же к глухой бетонной плотине; д — то же к водосливной плотине; 1 — турбинные блоки; 2 — гребень плотины; 3, 4 — водобой и рисберма здания ГЭС; 5, 6 — то же плотины; 7 — струенаправляющая дамба; 8 — ковш; 9 — струенаправляющая стенка; 10 — раздельная стенка.
При поступлении воды в отводящие русло по всей его ширине, т. е. при работе всех турбин, всех водосбросных отверстий, необходимо обеспечить движение без отрыва потока от стенок и струенаправляющих дамб. Безотрывное обтекание стенок или дамб достигается при угле их разворота в плане не более 6—10°. Выполняются они обычно прямолинейными, иногда же, например на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС, низовая струенаправляющая стенка (длиной 228 м) криволинейна [65]. Концевые участки открылков и дамб выполняются круглого очертания.
Длина струенаправляющих сооружений и раздельных стенок зависит также от режимов нижнего бьефа сооружения. Назначается она в ответственных случаях окончательно на основании лабораторных исследований. Возможности использования решений, которые позволили бы уменьшить объем последующих исследований, весьма ограничены.
Необходимость раздельной стенки хорошо иллюстрирует рис. 5-4,а, на котором изображен план течения в нижнем бьефе гидроузла без раздельной стенки [118]. На части русла против здания ГЭС и при работающих, и при неработающих турбинах наблюдается обратное течение.
Удельный расход на рисберме плотины увеличивается, что утяжеляет условия на рисберме и в конце крепления.
Распределение скоростей улучшилось при симметричном расположении сооружений (рис. 5-4,б). Однако, как известно, симметричное растекание неустойчиво [148], тем более что в процессе эксплуатации сооружения невозможно обеспечить равномерный пропуск воды через водосливные пролеты и турбины.
Рис. 5-4. Распределение средних по вертикали скоростей в нижнем бьефе модели гидроузла при отсутствии раздельных стенок в нижнем бьефе между зданием ГЭС несовмещенного типа и плотиной.
а — здание ГЭС расположено у берега; б — здание, расположенное по середине плотины: 1 — совместная работа плотины и здания ГЭС (Qпл=1370 м3/сек, QГЭС=330 м3/сек), 2 —работает только плотина (Qпл=1 700 м3/сек). Средняя глубина воды над концом крепления 10,9 м.
При неработающих турбинах отсутствие раздельных стенок сказывается отрицательно и при данном симметричном расположении сооружений; за зданием ГЭС скорости направлены в обратную сторону, в результате чего происходит увеличение удельных расходов за водосливными плотинами, слева и оправа от здания, и наблюдается неравномерное распределение скоростей и расходов по ширине русла.
Отсутствие раздельных стенок, кроме того, исключает образование перепада восстановления, что ухудшает энергетические качества здания ГЭС.
И. И. Леви приходит к выводу, что для борьбы со сбойностью «длину раздельных стенок или дамб надо назначать не менее полной длины участка рассеяния энергии» [148]. В этом случае поток, сбрасываемый через плотину, будет вступать в нижний бьеф в достаточном удалении от зоны прыжка, где поперечный перепад уровней будет незначительным. Но назначать длину раздельной стенки, исходя из этого требования, едва ли целесообразно. Обычно длина стенки не превышает длины креплений, а длина креплений всегда меньше длины участка рассеяния избыточной энергии. Например, по Д. И. Кумину, полная длина участка рассеяния энергии достигает при донном режиме в случае отсутствия гасителей 21 глубины после прыжкового участка, практически же длину креплений обычно принимают не больше 12 глубин послепрыжкового участка, поскольку на этом расстоянии большая часть избыточной кинетической энергии успевает рассеяться.
За зданием ГЭС, водосбросной плотиной, за глухой плотиной уровни свободной поверхности устанавливаются неодинаковыми: наиболее высоким будет уровень свободной поверхности за глухой плотиной (в водоворотной области), наиболее низким — за водосбросной плотиной или совмещенным машинным зданием с работающими водосбросами. Эта разница уровней ведет к возникновению поперечных течений, вызывающих сбойное течение в отводящем русле. Избежать поперечных течений и, следовательно, сбойности можно путем устройства шпоры в виде дамбы, удлиненного открылка, раздельной стенки, отделяющей области с неодинаковыми уровнями свободной поверхности. Таким образом, для определения длины струенаправляющего сооружения необходимо знать длину участка, на котором происходит выравнивание уровней в указанных соседних областях.
При определении длины участка выравнивания уровней можно использовать следующие ориентировочные рекомендации.
Уровни свободной поверхности за несовмещенным зданием ГЭС и глухой плотиной практически выравниваются на участке, несколько большем длины вальца над потоком, поступающим из отсасывающей трубы (рис. 5-5,а). Длина этого вальца достаточно надежно может быть определена по графику на рис. 2-Ί6.
Уровни за водосбросной плотиной или совмещенным зданием ГЭС при донном режиме (в том числе и при наличии уступа) сближаются с уровнями за зданием ГЭС несовмещенного типа или за глухой плотиной на длине вальца над донной струей (рис. 5-5,б), длина которого определяется по формулам длины прыжка.
Если поток сходит с уступа при поверхностном режиме (рис. 4-5,8 и г), то уровни выравниваются на длине затухания волны.
По И. И. Леви [148] «при поверхностном режиме сопряжения бьефов картина явления будет более благоприятной; на поверхности воды будут возникать волны значительной высоты, распространяющиеся вниз по течению на большую длину; эти волны будут препятствовать натеканию воды из водоворотной зоны». Согласиться с утверждением, что «волны будут препятствовать натеканию воды из водоворотной зоны», нельзя, поскольку волны состоят из чередующихся гребней и впадин. Подошва волны лежит ниже уровня, устанавливающегося в области вне транзитной струи, что обусловливает возникновение сбойности вследствие натекания воды на струю из водоворотных областей.
Рис. 5-5. К определению минимальной длины раздельной стенки Аст.
а — при примыкании здания ГЭС к бетонной глухой плотине; б — то же к водосливной плотине на скальном основании в случае донного режима в нижнем бьефе; в — то же при поверхностном режиме в случае горизонтальной поверхности струи в створе уступа; г — то же при прямом наклоне свободной поверхности струн в створе уступа.
Раздельная стенка должна быть не короче участка, на котором происходит затухание волны.
Длина участка затухания волны зависит от типа поверхностного режима (см. гл. 6).
При незатопленном поверхностном прыжке в зависимости от ряда факторов (число Фруда, наклон струи в створе уступа, стадия развития поверхностного режима и пр.) можно принять, что затухание волны происходит при горизонтальной поверхности воды в створе уступа несколько дальше точки перегиба за вторым гребнем (рис. 5-5,8), при прямом наклоне струи в створе уступа — несколько дальше точки перегиба за первым гребнем (рис. 5-5,г).
При поверхностно-донном режиме можно принимать, что затухание волны происходит, как при горизонтальном сходе струи с уступа, т. е. на расстоянии, отвечающем положению точки перегиба за вторым гребнем.
При затопленном поверхностном прыжке затухание вол ны происходит на несколько более коротком участке, чем в предыдущих случаях.
Отметим, что при расчете положения точек перегиба струи по формулам, приведенным в гл. 6, расстояние от уступа до соответствующей точки перегиба завышается, что позволяет принимать длину стенок по расчетной абсциссе точек перегиба.
Отметка верха стенки при поверхностном режиме определяется отметкой гребня волны. Построение профиля свободной поверхности струи (см. гл. 6) позволяет определить разность уровней воды по сторонам стенки, что дает возможность найти нагрузку на стенку, обусловленную наличием разницы уровней, к которой добавляется динамическая нагрузка.
По И. И. Леви, длина участка затухания волны при поверхностных режимах «существенно больше 33hкр и приближается к (50-60)hкр» [148]. Эти значения длины участка затухания волны значительно больше полученных нами1.
1 Приводя указанные выше данные, И. И. Леви оговаривает: «в нашем распоряжении нет в настоящее время данных, позволяющих оценить длину участка, в пределах которого происходит затухание волн».
При сопряжении бьефов, отброшенной струей, как это принято на Бухтарминской, Братской, Мамаканской, Красноярской, Усть-Илимской и других ГЭС, наблюдается значительное понижение уровня воды под струей. Избежать устройства раздельной стенки на всей длине отлета струи можно увеличением расстояния между зданием ГЭС и ближайшим к нему водосбросным отверстием, уменьшением удельного сбросного расхода и увеличением глубины в отводящем русле.
Здание Красноярской ГЭС примыкает к 'водосливной плотине с носком, отбрасывающим струю 'при напоре около ,100 м и удельном расходе (в нижнем бьефе) 60 м?)сек на расстояние 130—140 м. Экспериментальные исследования [256] показали, что при сравнительно небольшой длине раздельной стенки и при отсутствии сброса воды на плотине режим нижнего бьефа вполне благоприятен (рис. 5-6,а).
Рис. 5-6. План течений в нижнем бьефе модели Красноярской ГЭС.
а — пропуск расхода через турбины при неработающих отверстиях плотины; б — пропуск расхода через все пролеты плотины; в — улучшение режима нижнего бьефа при неработающих ближайших к зданию ГЭС отверстиях плотины; г — улучшение плана течений при увеличении расстояния между раздельной стенкой и крайними пролетами плотины до l=55 м, длина раздельной стенки l= 50 м; б — план течений при расстоянии между стенкой и крайними пролетами l= 55 м, длина раздельной стенки l= 150 м.
Поперечные течения по фронту здания ГЭС отсутствуют. Разность уровней воды между створом сооружений и створом, расположенным на расстоянии 1 800 м ниже по течению, равна около 0,3 м, что отвечает бытовому падению уровня на этом участке. При пропуске расхода через плотину в нижнем бьефе здания ГЭС возникают поперечные течения и водоворотные зоны (рис. 5-6,6). Перепад между уровнем воды в отводящем русле здания ГЭС в нижнем бьефе плотины, при неизменном сбросном расходе увеличивается с приближением к зданию открываемых отверстий. Так, при. четырех, ближайших к зданию ГЭС, работающих пролетах плотины поперечная разность уровней достигла 1,1 м, а при пропуске этого расхода через удаленные от здания пролеты (5, 6, 7) она
уменьшилась до 0,2 м. Перепад уровней в створе плотины и створе, отстоящем от плотины на 1 800 м, при работе отверстий, удаленных от здания ГЭС, составлял 0,7 м, а при работе ближайших четырех отверстий — 1,8 м.
Увеличению (поперечного перепада уровней и усилению течения вдоль здания ГЭС способствует образование бара из продуктов размыва, постепенно распространяющегося в сторону здания. К тому же бар создает подпор, уменьшающий напор турбин. При сбросном расходе, равном 14 000 м3/сек, и наличии бара перепад уровней между отводящим руслом здания ГЭС и нижним бьефом плотины может достичь 3,5 м.
Для улучшения режима нижнего бьефа и снижения потерь энергии были рассмотрены варианты компоновки при увеличении расстояния между отводящим руслом здания ГЭС и плотиной от 3 до 55 м1. В последнем случае распространение бара в сторону нижнего бьефа ГЭС уменьшилось с 90 до 15 м, а его высота снизилась на 3,5 м. Глубина размыва у раздельной стенки уменьшилась со стороны плотины на 12 м.
Изучалось также влияние на режим нижнего бьефа длины раздельной стенки, которая изменялась от 16 до 150 м. Особо благоприятная плановая картина в нижнем бьефе получена при длине раздельной стенки, составляющей 150 м, т. е. равной дальности отлета струи (рис. 5-6,д).
На основании исследований было рекомендовано увеличить расстояние между раздельной стенкой и крайним пролетом плотины до 55 м* и принять длину раздельной стенки не менее 50 м (0,35—0,38 дальности отлета струи); сброс паводка производить в первую очередь через пролеты, удаленные от здания ГЭС.
1 В действительности было принято расстояние 69 м, из которых 16 м — ширина раздельной стенки, выполнявшей роль продольной перемычки.
Длина раздельной стенки, выполненной на Красноярской ГЭС, составляет 131,2 м.
При длинной раздельной стенке ее подошва должна быть на глубине, превышающей глубину ямы размыва. Поэтому возведение стенки на некотором расстоянии от ближнего пролета плотины уменьшает глубину заложения стенки.
Иные рекомендации по поводу длины раздельной стенки были даны гидротехнической лабораторией ВНИИГ при исследовании модели гидроузла Братской ГЭС. На моделях в масштабе 1 : 100 исследовалось две компоновки сооружений гидроузла:
1) с двумя зданиями ГЭС у левого и правого берега с длиной напорного фронта по 288 м, и с водосливной плотиной между зданиями ГЭС, также имеющей длину 288 м. Превышение гребня плотины над дном нижнего бьефа 107 м, высота уступа 8,5 м, радиус носка 15 м, угол схода струи с носка 30°, удельный расход на гребне водослива м/сек при напоре 6,0 м;
2) с одним зданием ГЭС у левого берега длиной 512 м и водосливной плотиной у правого берега длиной по фронту 288 м. Параметры уступа и носка те же, что и в предыдущем варианте компоновки узла.
Удельный расход на гребне водослива в обоих случаях 39,5 м/сек (напор 7,0 м), на сливной кромке уступа — около 27 м/сек. Глубина воды в нижнем бьефе при различных режимах изменялась в пределах 8—16,7 м при компоновке с двумя зданиями ГЭС и 8—11,7 м— с одним. Дальность отлета струи около 110 м.
Рис. 5-7. Мамаканский гидроузел. Криволинейная бетонная раздельная стенка, переходящая в ряжевую.
1 — плотина с уступом, обеспечивающим свободный отброс струи; 2 — здание ГЭС; 3 — бетонная раздельная стенка; 4 — ряжевая часть раздельной стенки.
План течений в нижнем бьефе фиксировался при низком уровне воды, при котором устанавливался отогнанный прыжок, высоком уровне, обеспечивающем затопление прыжка, и промежуточном уровне. Все эти режимы практически вполне вероятны; отогнанный прыжок может возникнуть в начальный момент сброса, когда уровень нижнего бьефа еще не успел установиться. Опыты проводились на модели с неразрываемым руслом, а на модели с одним зданием ГЭС, кроме того, при наличии размываемого участка (гравий с диаметром фракций от 3 до 10 мм). Раздельные станки в нижнем бьефе отсутствовали.
Глубины в нижнем бьефе, отвечающие в натуре 8—16 м, соответствуют первым годам эксплуатации ГЭС, т. е. периоду до появления ямы размыва в области падения струи. С появлением ямы размыва условия гашения энергии в нижнем бьефе улучшатся и режим нижнего бьефа приблизится к естественному.
В результате исследования компоновок по обоим вариантам было установлено, что при работе турбин и любых схемах сброса воды через плотину и любых режимах нижнего бьефа интенсивного затекания воды под водосбросную струю не наблюдалось. Лаборатория рекомендовала устройство раздельных стенок лишь на участке с различными отметками дна за зданием ГЭС и плотиной.
Возможность отказаться от длинной раздельной стенки на Братской ГЭС и целесообразность такой стенки длиной до 150 м на Красноярской ГЭС является, по- видимому, следствием значительно большего удельного расхода за плотиной Красноярской ГЭС (60 м3/сек по сравнению с 39,5 м3/сек для
плотины Братской ГЭС) примерно при тех же глубинах воды в нижнем бьефе. Оценка скоростей поперечного течения и решение вопроса о необходимости устройства раздельной стенки в подобных случаях возможны путем расчета разницы уровней свободной поверхности воды за зданием ГЭС и под водосбросной струей.
Устройство на Братской ГЭС раздельного пирса, переходящего в дамбу, продиктовано производственными соображениями: пирс играл роль переходной перемычки между котлованами двух очередей. Со стороны отводящего русла здания ГЭС пирс имеет длину более 145 м. со стороны плотины — около 175 м (створы отверстий отсасывающих труб и уступа плотины не совпадают). Ширина пирса в месте примыкания к сооружению около 45 м.
При симметричном расположении работающих водосливных пролетов плотины Братского гидроузла поток отклоняется к одному из берегов, что дополняет сказанное выше о нецелесообразности борьбы со сбойностью путем обеспечения симметричной работы водопропускного фронта.
На Мамаканской ГЭС [266] сброс через плотину производится при напоре, близком к 50 м, и удельном расходе 36 м2/сек при сопряжении бьефов свободной отброшенной струей. Раздельная бетонная стенка, переходящая затем в ряжевую, выполнена криволинейной в плане, что предохраняет ее от подмыва (рис. 5-7). Здесь, однако, нельзя признать удачным плановое очертание отводящего русла.
Рис. 5-8. Водосливная ГЭС с несколькими раздельными стенками в отводящем русле.
Рис. 5-9. План течений в нижнем бьефе водосливной ГЭС. Статический напор 12,85 м; глубина в отводящем русле 7,15 м; сбросной расход 360 м/сек.
а — раздельная стенка отсутствует; б — раздельная стенка установлена между секциями; · донные скорости; поверхностные скорости.
Устройство раздельных стенок между отдельными секциями или несколькими секциями здания ГЭС совмещенного типа целесообразно в тех случаях, когда неизбежна существенно неравномерная работа водосбросного фронта. Из этих соображений на Камской водосливной ГЭС (рис. 5-11,в) в начале отводящего русла возведены три раздельные стенки (рис. 5-8).
Раздельные стенки между отдельными секциями здания ГЭС совмещенного типа необходимы также при пуске ГЭС несколькими очередями. На рис. 5-9 показан план течений в нижнем бьефе Череповецкой водосливной ГЭС с раздельной стенкой между секциями первой и второй очередей (б), и без раздельной стенки (а) [23].
Устройство раздельной стенки на всей длине водобоя (около 40 м) ликвидировало сбойность, при которой поток от правого берега переходил к левому, способствовало выравниванию и уменьшению
поверхностных и донных скоростей в поперечных сечениях русла, В створе IV (на расстоянии 170 м от выходного сечения отсасывающей трубы) при наличии раздельной стенки обратные скорости отсутствуют, а без раздельной стенки обратные скорости наблюдаются в створе V и ниже по течению.
В данном случае вопрос о целесообразности устройства раздельной стенки может быть решен сопоставлением капитальных вложений в раздельную стенку и в дополнительное крепление отводящего русла при ее отсутствии, поскольку длина крепления и крупность камня на его концевом участке без раздельной стенки увеличиваются.
