МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 627.83

ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ КАК ФАКТОР БЕЗОПАСНОСТИ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ  ОБЪЕКТОВ

 

Н.Н. Розанова – к.т.н., проф.

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

В последние годы в соответствии с реализацией Закона Российской Федерации «О безопасности гидротехнических сооружений» крайне  актуальным является оценка уровня безопасности гидротехнических объектов и разработка мер по обеспечению безопасности. Анализ аварий и повреждений гидротехнических сооружений в разные периоды их существования (строительство и эксплуатация), показывает на практическую невозможность достижения абсолютной безопасности, так современные нормы допускают вероятность аварии 0,0001-0,00001 [1-4 и др.].

Современная концепция безопасности гидротехнических сооружений является основой нормативно-правовых документов и включает в себя теоретические положения и  методы решения, связанных между собой задач: контроль, оценка и управление безопасностью. В этом направлении имеются значительные успехи в изучении системы «сооружение-основание», исследовании и прогнозировании волны прорыва, образовании прорана при порыве земляной плотины, определении пиковых расходов соответствующих мгновенному разрушению плотин и др. Главное, чтобы  эти очень важные проблемы не  рассматривались в отрыве от работы водосбросных сооружений.

Очевидно, что нормальная эксплуатация водосброса не должна приводить к таким катастрофическим явлениям, как, например, перелив воды через гребень глухой плотины. Поэтому крайне важно выполнить оценку возможности превышения принятых в проекте расчетных уровней природных воздействий (расход, напор, размывы, оползни в нижнем бьефе и др.) из-за переоценки водопропускной способности сооружения. Это актуально для водосбросов любого типа, но особенно для закрытых водосбросных сооружений: трубчатых и туннельных.

Опыт проектирования и эксплуатации показывает, что расчетные расходы, пропускаемые закрытыми водосбросами, достигают больших значений, но обычно меньше, чем для открытых водосбросов. Гидравлические условия работы таких сооружений сложные, так как «вход» и «выход» могут быть затопленными и незатопленными, а водосбросной тракт работает в напорном, частично-напорном, безнапорном или в условиях переходных режимов. Переходные режимы сопровождаются значительными гидродинамическими воздействиями на элементы отводящего тракта, особенно нерегулируемых водосбросов. Недопустимо образование «воздушных» пробок с выбросом их в атмосферу. В рассматриваемых условиях работы водосбросов важной задачей является обеспечение нормальной эксплуатации нижнего бьефа гидроузла, а это возможно при применении рациональных схем гашения энергии, устранении недопустимых гидродинамических нагрузок на элементы водосброса, что и приводит к формированию допустимых размывов грунта за сооружением.

Большим недостатком закрытых водосбросных сооружений является возможность его «захлебывания». Поэтому надо учитывать, особенно в высоконапорных водосбросах, что ошибки в прогнозировании расчетного паводка более опасны, чем  при открытых водосбросах. Если туннельный водосброс входит в гидроузел с глухой грунтовой плотиной, то «захлебывание» особенно опасно, так как оно может повлечь за собой перелив через гребень плотины, что недопустимо, в этом случае, безусловно, необходимо учитывать срезку пика паводка водохранилищем при превышении в нем расчетного уровня.

В настоящее время актуально определение реальной пропускной способности ряда водосбросов, построенных более 30 лет назад, для которых параметры максимального стока следует пересмотреть и уточнить для современных условий. Так, в частности, для Иваньковского и Угличского гидроузлов после уточнения статистических параметров гидрологических рядов и величин максимальных расходов, оказалось, что принятые в проекте расчетные расходы примерно меньше на 23 % реальных значений ( по данным ОАО «НИИЭС» ).

Из анализа аварий гидротехнических объектов следует, что в бывшем СССР и в России не наблюдались катастрофические аварии, за исключением лишь относительно недавно произошедших аварий на Киселевской и Тирляндской плотинах. На Тирляндской плотине не были открыты вовремя затворы, в результате в нижнем бьефе погибли 22 человека [5].

Мировой опыт эксплуатации водосбросных сооружений, в том числе и туннельных водосбросов, показывает, что они довольно часто получают различные повреждения, причинами которых являются обычно недостатки изысканий, проектных решений или сейсмическое воздействие, некачественное выполнение строительных работ, а часто и отступление от требуемых в проекте рекомендаций по технологии строительства и эксплуатации. К типичным видам разрушений в водосбросных сооружениях можно отнести: срыв металлической облицовки в затворных камерах; заклинивание затворов; повреждение опорно-ходовых устройств и, как следствие, невозможность регулирования затворами; кавитационно-эрозионные повреждения водосбросного тракта; недопустимая фильтрация по трещинам в бетонной обделке туннельных водосбросов.

Перечисленные виды разрушений в водосбросных сооружениях, нарушение нормальной эксплуатации из-за несоблюдения необходимых режимов работы сооружения и плохое состояние гидромеханического оборудования (перекосы затворов, отсутствие энергоснабжения подъемных механизмов, коррозия затвора и прочее) являются главными причинами аварий на гидротехнических объектах.

Важным критерием надежности водосбросных сооружений любого типа является состояние русла в нижнем бьефе. Образование значительных донных деформаций и недопустимых местных размывов может являться источником экологических катастроф прилегающего района. Поэтому в настоящее время одним из актуальных вопросов в рассмотрении гидравлических аспектов проблемы оценки и прогноза безопасности гидро-технического объекта  (например, при прогнозе условий прорыва напорного фронта гидроузла при пропуске паводков редкой повторяемости, сопровождающийся возникновени-ем катастрофического паводка в нижнем бьефе [6]), является учет условий работы водосбросных сооружений и повышение уровня их безопасности за счет специальных инженерных и эксплуатационных решений. Такими решениями могут быть:

            1) разработка соответствующей схемы включения в работу водосбросных сооружений в зависимости от принятой компоновки гидроузла, то есть поэтапное включение в работу основных водосбросов (глубинных и поверхностных), а при необходимости использование резервных водосбросов (естественных пойменных и «плавких» вставок);

2) повышение надежности затворов водосбросных отверстий, подъемно-транспорт-ного и электрического оборудования за счет использования современных инженерных решений (одним из таких решений является поверхностный затвор французской фирмы «Hydroplus» или так называемый «плавкий затвор» [7]);

3) применение водосбросов с повышенной пропускной способностью, что достигается за счет:

водосливов и оголовков вакуумного очертания (в поверхностных и глубинных водосбросах);

отсутствия затворов (водосбросы автоматического действия);

специальных конструкций, приводящих к восстановлению части кинетической энергии в напорных водоводах;

наращивания плотин и устройство при этом вакуумных водосливов;

4) разработка и внедрение новых конструкций туннельных водосбросов с эффективным гашением энергии в отводящем туннеле, приводящем к безопасной и надежной работе всего водосбросного тракта и нижнего бьефа.

Реализация последнего решения возможна, в частности, с помощью шахтных водосбросов с вихревым отводом воды [8], которые обеспечивают наименьшее влияние сбрасываемого потока на окружающую среду и безопасную эксплуатацию водосбросного тракта (исключаются кавитационно-эрозионные повреждения, опасные гидродинамические воздействия потока, особенно при переходных режимах, недопустимые размывы русла реки, подмывы и обрушения склонов).

Такие водосбросы обеспечивают также интенсивное гашение кинетической энергии потока на начальном участке отводящего тракта и, как следствие, кавитационно-безопас-ные скорости на последующих участках со слабо закрученным и осевым потоками, причем на начальном  участке опасное воздействие высоких скоростей на обтекаемую поверхность уменьшается за счет повышения давления на стенке туннеля вследствие действия центробежных сил [9]. Более эффективным, с точки зрения гашения энергии, является использование закрученных потоков в отводящих туннелях с уклонами  (), где при больших длинах возможно погасить практически всю энергию потока, за исключением той ее части, которая определяется параметрами потока непосредственно на выходе из туннеля в русло реки. Если по условиям компоновки водосброса длина  отводящего участка  не позволяет обеспечить требуемого гашения энергии, то следует применять ускоренное гашение энергии потока [10, 11]. Наиболее простыми и перспективными для внедрения в практику гидротехнического строительства являются шахтные водосбросы с гашением энергии закрученного потока по длине отводящего водовода.

Оригинальные компоновки эксплуатационных и паводковых водосбросов с вихревым отводом воды разработаны в России  (при участии автора) применительно к Рогунскому, Тери и Туполангкому гидроузлам. По принципу действия эти конструкции можно разделить на два типа:

I тип – вихревые (моновихревые) водосбросы с плавным гашением энергии потока по длине отводящего туннеля  Lт/hт ³ 60-80 круглого или близкого к круглому поперечных сечений ( рис. а);

II тип – вихревые водосбросы с ускоренным  гашением энергии потока по длине отводящего туннеля   20 £ Lт/hт £ 60-80  некруглого поперечного сечения (подковообразного, квадратного, треугольного [11]) либо с использованием камеры гашения  (рис. б).

Вихревые водосбросы с камерой гашения позволяют погасить значительную часть энергии внутри водовода на достаточно небольших участках (до десяти высот туннеля) и существенно снизить скорости потока на последующих участках туннеля и на выходе из него [12, 13]. На рис. б  представлена конструктивная схема  шахтного вихревого водосброса II типа, по принципу которого запроектированы водосбросы Рогунского и Туполангского гидроузлов. Водосброс состоит из  водоприемной части, шахты, закручивающего устройства и отводящего водовода. Диаметр шахты проектируется из условия создания максимальных скоростей потока в напорной шахте не более 15-20 м/с. Закручивающее устройство в виде тангенциального завихрителя потока выгодно отличается от других завихрителей простотой конструкции и надежностью работы. Тангенциальный завихритель с отводящим туннелем соединяется с помощью цилиндрического или конфузорного переходного участка. Начальный участок отводящего туннеля несет функцию камеры гашения длиной , в которой происходит внезапное расширение закрученного потока и его распад, сопровождающийся интенсивным гашением энергии. Такая конструкция водосброса применима при 20 £ Lт/hт £ 60-80, высоте шахты 600-320 м и сбросных расходах Q =  40-3400 м3/с.

 

                           

а)

б)

 

Конструкции  шахтных водосбросов с вихревым отводом воды:

а) вихревой водосброс гидроузла Тери: 1– строительный туннель; 2 – глубинный

водоприемник; 3 – шахта; 4 – тангенциальный завихритель; 5 – пробка; 6 – туннель

круглого сечения; 7 – переходной участок; 8 – отводящий туннель; 9 – цилиндрическая вставка завихрителя;

б) вихревой водосброс с переходным участком и камерой гашения: 1 – пробка в

строительном туннеле; 2 – тангенциальный завихритель; 3 – шахта; 4, 5 – переходные

участки (конфузорный или цилиндрический); 6 – отводящий туннель.

 

Формирование закрученного потока в водосбросе с требуемыми характеристиками определяется ключевым сечением закручивающего устройства (рис. а, сечение «а-а»), которое создает напорный режим в шахте при сбросном расходе или формирует промежуточный уровень при расходе меньше расхода затопления шахты. В таких водосбросах наблюдаются следующие гидравлические режимы по основным элементам водосброса: водоприемная часть – безнапорный; шахта – напорный или безнапорный с водовоздушной подушкой; закручивающее устройство – напорный, частично напорный; переходный  участок – закрученный поток с ядром; начальный участок отводящего туннеля (камера гашения) – развал закрученного потока;  выход из камеры – безнапорный режим; отводящий туннель – безнапорный режим. В качестве отводящего туннеля вихревого шахтного водосброса может использоваться строительный туннель.

Характерной особенностью рассматриваемых водосбросов является интенсивное гашение закрученного потока на начальном участке отводящего туннеля за переходным участком (конфузором или цилиндром). Этот участок несет на себе функцию камеры гашения, в которой происходит внезапное расширение закрученного потока.  Закручивающее устройство в виде тангенциального завихрителя определяет в значительной степени кинематические характеристики закрученного потока, пропускную способность водосброса, эффективность гашения энергии и динамические особенности потока по длине водосброса. Основной характеристикой завихрителя является его геометрический параметр

                                                        ,                                                         (1)

где – расстояние от оси отводящего участка до центра тяжести «ключевого» сечения площадью ; R – радиус отводящего участка за завихрителем;  – угол наклона оси подводящего водовода к оси завихрителя.

Завихритель потока проектируется таким образом, чтобы А = Атреб, где Атреб – требуемое значение  параметра А, при котором обеспечивается необходимая начальная интенсивность закрутки потока П0 (определяется расчетом из условия требуемого гашения энергии потока для заданной компоновки водосброса). Например, для условий Туполангского вихревого водосброса Атреб = 1,4, а для Рогунского водосброса  Атреб = 1,1.

Выбор конструкции камеры гашения  зависит от возможной длины отводящего туннеля за камерой гашения и кинематических характеристик закрученного потока. Для водосброса с  при высокой интенсивности закрутки потока (средний угол закрутки потока  » 40-500) эффективна широкая камера с  (узкая камера имеет ширину , где dк.к. – диаметр концевого сечения конфузора), обеспечивающая равномерное распределение скоростей потока на выходе из нее и полное гашение энергии вращения  потока. Коэффициент внезапного расширения подобных конструкций К = wк.г./wк.к. рекомендуется принимать в пределах от 1,4 до 3,45 (где , – соответственно, площади сечений камеры гашения и концевого сечения конфузорного участка). В камерах гашения с большим значением  гашение энергии происходит на более коротком участке и за камерой формируется безнапорный осевой поток. В водосбросах с конфузорным участком и внезапным расширением за ним на участке до 15D гасится 88 % энергии потока, а с  цилиндрическим участком гашение энергии происходит плавно и на длине 15D гасится только 57 % энергии потока.

В случае отводящего водовода с LT/hT  > 60 часть энергии закрученного потока гасится по его длине за счет дополнительных гидравлических сопротивлений, обусловленных закруткой, а остаточная энергии – в камере гашения, расположенной в конце туннеля или при выходе потока из туннеля.

Условие сохранения закрученного потока в камере гашения в общем случае  V2/R>g. При V2/R=g закрученный поток теряет свою устойчивость, происходит обрушение масс воды вдоль свода туннеля и их перемешивание с воздухом в ядре потока.

Габариты отводящего туннеля определяются выбранной конструкцией водосброса и допустимыми скоростями на выходе из туннеля Vвых. Площадь потока в сечении концевого участка отводящего туннеля определяется по эквивалентному диаметру с учетом допустимой осевой скорости течения потока, которая задается из условия отсутствия кавитационной эрозии на поверхности обделки туннеля или по условиям сопряжения потока с нижним бьефом.

Основной задачей гидравлического расчета рассматриваемых водосбросов является оценка пропускной способности  по зависимости

                                                            ,                                                  (2)

где  m = 1/ÖSx – коэффициент расхода водосброса, отнесенный к характерной площадиwвых отводящего  туннеля  или  камеры гашения  (в зависимости от принятой схемы гашения энергии  по  I  или  II типам  компоновки  и  конструкции  водосброса); Sx=Sxi(wвых/wi)2; Нд – действующий напор, определяемый разностью отметок верхнего бьефа и оси отводящего туннеля или камеры гашения. Принципиальную схему расчета пропускной способности водосбросов для возможных вариантов компоновки  возможно представить в виде:

Компоновка гидроузла и водосбросных сооружений

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Очевидно, что пропускная способность водосбросов обеспечивается водосливным фронтом, а также суммарным сопротивлением шахты и отводящего туннеля.  Разработанная методика расчета позволяет рассчитать напорные шахтные водосбросы с  водоводами  цилиндрического [10], подковообразного, треугольного и квадратного поперечных сечений [8, 12], а также с камерами гашения [13 и др.].

 

Выводы

 

Вихревые шахтные водосбросы с ускоренным гашением энергии закрученного потока по длине отводящего туннеля имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными туннельными водосбросами, в частности, относительная простота конструкции, широкая область применения по напорам и сбросным расходам, не требуется специальных мероприятий по защите бетонной поверхности водовода от кавитационной эрозии и по укреплению русла реки в нижнем бьефе. Важно при этом, что эффективное гашение высокоскоростного потока происходит на относительно коротких участках отводящего водовода. Например, для условий Рогунского гидроузла  в шахте и закручивающем устройстве водосброса теряется 41 % начальной энергии потока, на сопрягающем участке – до 15 %, а в камере гашения – 33 %.

Для отводящего туннеля с LT/hT £ 60 в качестве сопрягающего элемента между тангенциальным завихрителем потока и камерой гашения предпочтительнее использовать конфузорный участок, который приводит к снижению интенсивности закрутки потока на входе в камеру гашения, выравниванию скоростей потока со смещением максимума осевой компоненты скорости в центральную область и снижению динамических нагрузок в узле закрутки потока.

При использовании конфузорного участка пьезометрические давления на стенках существенно большие, чем в цилиндрическом участке, что способствует повышению кавитационной безопасности в пределах  завихрителя потока.

Высокая эффективность гашения энергии высокоскоростного потока дает основание использовать рассматриваемые водосбросы как автономно, так и в сочетании с водосбросами других типов и определяющим фактором при выборе схемы гашения энергии является компоновка вихревого водосброса с учетом экологической безопасности и надежности гидроузла.

Шахтные водосбросы с вихревым отводом воды в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к водопропускным сооружениям по обеспечению безопасной и надежной работы всего водосбросного тракта и нижнего бьефа.

 

Библиографический список

 

1.      Иващенко И.Н. Инженерная оценка грунтовых плотин. – М: Энергоатомиздат, 1993.

2.      Иващенко И.Н. Об опыте декларирования безопасности гидротехнических сооружений. /В сб. «Безопасность энергетических сооружений». – М.: ОАО «НИИЭС», 1998. Вып. 2-3. С. 32-37.

3.      Калустян Э.С. Риски отказов бетонных плотин. /В сб. «Безопасность энергетических сооружений». – М.: ОАО «НИИЭС», 1998. Вып..2-3. С. 37-44.

4.      Илюшин В.Ф., Крылова С.Н. Аварии и в подземных водоводах и методы восстановления повреждений. //Гидротехническое строительство. 1993, № 4.  С. 44-52.

5.      Калустян Э.С. Уроки аварий Киселевской и Тирляндской плотин. //Гидротехническое строительство. 1997. № 4.

6.      Историк Б.Л., Прудовский А.М., Школьников С.Я. Гидравлические  аспекты прогноза условий прорыва напорного фронта гидроузла. /В сб. «Безопасность энергетических сооружений». – М.: ОАО «НИИЭС», 1998. № 1. С. 91-100.

7.      Лунаци М.Э., Онипченко Г.Ф., Родионов В.Б. Затворы системы «Гидроплюс», как фактор повышения безопасности и экономичности гидроузлов. /В сб. «Безопасность энергетических сооружений». – М.: ОАО «НИИЭС», 1998. Вып..2-3. С. 89-99.

8.      Новикова И.С., Родионов В.Б., Животовский Б.А., Розанова Н.Н. Шахтные водосбросы с вихревым отводом воды.Proceedings abstract. St. Peterburg, 2002. Volume paper on CD-ROM.

9.      Rozanov N.P., Rozanova N.N., Fedorkov A.M., Zhivotovckiy B.A. Modeling and cavitation  forecast on unevenesses in twisded flows. Proceeding of techicion session C2 XXII  Congress IAHR. Lausanne, 1987. P.116-123.

10.  Гидравлические расчеты  водопропускных гидротехнических сооружений. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

11.  Родионов В.Б., Цедров Г.Н., Шленев А.В., Животовский Б.А., Розанова Н.Н.  Отводящие туннели вихревых водосбросов с повышенной энергогасящей способностью. //Энергетическое строительство. 1992, № 5.

12.  Галант М.А., Животовский Б.А., Новикова И.С., Родионов В.Б., Розанова Н.Н. Особенности вихревых туннельных водосбросов и гидравлические условия их работы. //Гидротехническое строительство. 1995.  № 9.  С. 16-22.

13.  Новикова И.С., Родионов В.Б., Розанова Н.Н. Вихревые водосбросы с гашением энергии по длине отводящего тракта.  /В сб.  «Безопасность  энергетических сооружений», – М.: ОАО «НИИЭС», 2003. Вып. 12. С. 183-193.