Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по волнообразованию в нижнем бьефе гидроузлов при работе водосбросных сооружений 8
1.1. Примеры волнообразования в нижнем бьефе гидроузлов и последствия волнового воздействия в натурных условиях 9
1.1.1. Схема сопряжения бьефов отбросом потока от сооружения 9
1.1.2. Схема гашение энергии в водобойном колодце или на креплении
1.2. Примеры лабораторных исследований волнообразования в нижнем бьефе гидроузлов 23
1.3. Анализ имеющихся предложений по оценке высоты волн 34
1.4. Выводы 36
Глава 2. Исследования параметров волн в нижнем бьефе гидроузлов 37
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований 37
2.1.1. Сопоставление результатов измерений разными методами 40
2.2. Бурейский гидроузел 45
2.2.1. Основные параметры водосбросных сооружений Бурейского гидроузла 45
2.2.2. Исследования параметров волн в нижнем бьефе гидроузла 2.3. Зейский гидроузел 58
2.4. Гоцатлинский гидроузел 60
2.5. Гидроузел ЛайЧау
2.5.1. Основные параметры водосбросных сооружений 65
2.5.2. Результаты исследований параметров волн при деформации русла нижнего бьефа 68
2.5.3. Результаты исследований параметров волн с ямой гашения энергии 72
2.6. Богучанский гидроузел 75
2.7. Нижне-Бурейский гидроузел 79
2.8. Нижне-Зейский гидроузел 82
2.9. Камский гидроузел 86
2.10. Сопоставления результатов натурных и лабораторных измерений 89
Глава 3. Методика определения параметров волн в нижнем бьефе гидроузлов 97
3.1. Вводные замечания 97
3.2. Общие положения и область применения 98
3.3. Определение параметров волн при отбросе потока от сооружения
3.3.1. Вводные замечания 99
3.3.2. Местоположение створа возникновения исходной волны 100
3.3.3. Определение исходной высоты волны 100
3.4. Определение параметров волн при гашении энергии в водобойном колодце или на креплении 104
3.4.1. Вводные замечания 104
3.4.2. Местоположение створа возникновения исходной волны 105
3.4.3. Определение исходной высоты волны 105
3.5. Закономерность снижение высоты исходной волны от расстояния 107
3.5.1. Вводные замечания 107
3.5.2. Закономерность снижения исходной волны 108
3.6. Определение длины волны 113
Глава 4. Численное моделирование течений при работе водосбросных сооружений Бурейского гидроузла 114
4.1. Вводные замечания 114
4.2. Математическая модель 114
4.3. Результаты расчетов и сопоставления их с экспериментальными данными 116
4.4. Выводы 136
Заключение 137
Список литературы 138
- Схема сопряжения бьефов отбросом потока от сооружения
- Бурейский гидроузел
- Определение параметров волн при отбросе потока от сооружения
- Результаты расчетов и сопоставления их с экспериментальными данными
Схема сопряжения бьефов отбросом потока от сооружения
В случае пропуска сбросных расходов в начальный период работы водосбросных сооружений и падении потока на еще неразмытое русло, глубин в русле обычно оказывается недостаточно для затопления струи с образованием гидравлического прыжка. Возникает отогнанный прыжок на некоторое расстояние, что инициирует возникновение в нижнем бьефе системы значительных по высоте волн, распространяющихся от места падения потока, которые могут привести к подмыву берегов или разрушению их креплений.
При образовании ямы размыва в зоне падения струи или наличии глубин в русле нижнего бьефа, достаточных для образования гидравлического прыжка, так же образуются волны, распространяющиеся от этой зоны вниз по течению, но имеющие меньшую высоту, чем в случаях малых глубин и незатопленного гидравлического прыжка. Эти волны также могут привести к негативным последствиям в нижнем бьефе. Красноярская ГЭС
При пропуске расходов через водосбросные сооружения этого гидроузла имели место неоднократные повреждения левого берега и его крепления, начавшиеся еще на стадии строительства, и продолжавшиеся при постоянной эксплуатации гидроузла.
В 1970 году при пропуске через водосливную плотину расхода 5100 м3/c и работе пролетов № 3, 4, 5 с полным открытием затворов произошел размыв левого берега, отсыпанного из горной массы, на ближайшем к плотине участке длиной 200 м и шириной, достигающей в отдельных местах до 45 м, из-за воздействия волн высотой около 3-х метров [66]. После проведения осмотра повреждений было принято решение об устройстве монолитного крепления этого берега на длине 450 м с бетонным зубом, заглубленным в грунт на 4-5 м и опирающимся на скалу. На участке, с наибольшими скоростями течения и волновыми нагрузками, на длине около 70 м были установлены железобетонные сваи с заглублением в скалу на 5 м. Сваи так же требовалось установить в местах, где низ бетонного зуба не доходил до скалы из-за ее глубокого залегания. Установка дополнительного свайного крепления позволяло допускать локальные размывы по длине бетонного зуба без его серьезного повреждения. Облицовка откоса выполнена из железобетонных плит толщиной 30 см на начальном участке и 20 см на остальной длине. Заложение откоса 1:2 выбрано из условия наилучшего гашения волн. Облицовка выполнена полосами шириной 5 м с армированием; швы между полосами водонепроницаемые; под плитой уложен обратный фильтр. Пазухи между бетонным зубом облицовки и монтажной насыпью (банкетом) засыпалась крупным камнем. Конечный участок берега, где скорости и высота волн относительно небольшие, выполнен без устройства зуба с опиранием облицовки на каменный банкет. Дальше крепление состояло из каменной отсыпки с диаметром отдельностей 40 – 70 см.
В 1972 году при пропуске расхода через водосливную плотину равного 5200 м3/c произошло разрушение участка крепления откоса левого берега. Произошел подмыв зуба глубиной, на ряде участков, до 2-3 м, а распространение подмыва под конструкцию в отдельных местах произошло на всю ширину секции зуба, равную 8-10 м; смыто 5 плит крепления. Разрушение части укрепленного бетонными плитами на участке плит 17-24 от начала крепления, а также размыв берега в районе очистных сооружений и подъездной автодороги произошли и в 1988 году при пропуске паводка с максимальным расходом 7000 м3/с. На основании топографической съемки 1989 года разработано проектное решение по восстановлению разрушенного участка крепления с устройством упорного зуба по существующему основанию. Предусмотрено крепление из монолитного бетона с каркасами из бетонных блоков с последующим омоно-личиванием [66].
Очередное повреждение левого берега произошло в 2006 году после пропуска расхода через все пролеты водосброса (кроме пролета №1 ближайшего к левому берегу) с полностью открытыми затворами. Общий суммарный расход через гидроузел составил более 15500 м3/с, из них через водосброс 8200 м3/с.
После осмотра крепления были сделаны следующие выводы: - потерял устойчивость опорный блок, расположенный вблизи плотины (рисунок 1.1); - смещены три плиты крепления, находящиеся на расстоянии 100 м от плотины (рисунок 1.2); - вымыт гравийный грунт из-под плит; в ряде мест плиты просели (рисунок 1.2).
Причиной повреждения крепления левого берега явилось воздействие на него волн и сильного водоворотного течения непосредственно вблизи плотины [66]. В настоящее время проведены работы по восстановлению крепления, в том числе и при помощи забивки свай в специальные отверстия плит крепления.
В условиях, когда берега нижнего бьефа могут быть подвержены размыву, как при строительстве, так и при эксплуатации гидроузлов, целесообразно еще на стадии проектирования предусматривать конструкции креплений берегов, обеспечивающие минимальные затраты на их восстановление и ремонт в годы постоянной эксплуатации.
Бухтарминская ГЭС
В значительной мере в связи с наличием мощного волнения, образующегося в зоне падения струи, происходили неоднократные повреждения крепления правого берега на Бухтармин-ском гидроузле. На значительной длине было размыто крепление этого берега, выполненного из каменной наброски. Оказалось недостаточным и усиление его тетраэдрами массой около 4 т. Пропуск расхода около 700 м3/с, составляющего около 45% от расчетного, привел к существенному повреждению и этого крепления (рисунок 1.3). Лишь выполнение монолитного бетонного крепления этого берега позволило обеспечить его надежную защиту от размывов.
Зейская ГЭС Интенсивное волнение в нижнем бьефе наблюдалось в период пропуска строительных расходов через Зейский гидроузел. При пропуске в 1974 г расходов около 8000 м3/с в период половодья и до 11500 м3/с в период осеннего паводка при работе 8 донных отверстий из 10, наблюдалось постоянное заплескивание воды на ряжевый съезд по низовой продольной перемычке, что привело к частичному ее размыву. Во время пропуска паводка происходил подмыв правого берега, закрепленного скальной породой, который увеличился с повышением сбросного расхода. Интенсивный характер размыва вызывался не столько скоростным течением, сколько волновым воздействием потока на этот берег [67].
Бурейский гидроузел
Кроме указанных выше исследований на модели Бурейского гидроузла проведены измерения параметров волн для случая отброса потока на неразмытое (жесткое) русло нижнего бьефа и пропуске различных сбросных расходов. По опыту применения жестких поверхностей моделей русел рек, выполненных из цементного камня гидравлические потери на трение соответствовали натурным в широком диапазоне сбросных расходов, что обеспечивало надежное моделирование условий течения и волнения в нижнем бьефе. Неразмытое русло воспроизводилось по отметкам коренных скальных пород без учета аллювиальных отложений, которые, как правило, сразу же смываются в период пропуска сбросных расходов через сооружения и не влияют на процессы волнообразования. Параметры волн на этой модели определялись с помощью волнографов, с записью их показаний на компьютер. Применялись волнографы типа ЕВ – 3. Для установки волнографов в точках измерений выполнялись местные углубления дна диаметром 7 см и глубиной 10 см. В качестве дополнительного оборудования для измерения высоты волн у берегов использовался тастер, оборудованный световым индикатором. При измерении тастером фиксировались экстремальные (максимальные) значения высот волн. Записи при помощи волнографа позволили дать оценку значениям периодов, а так же выполнить сопоставление максимальных высот волн, измеренных двумя способами (волнографом и тастером). Сопоставления показали удовлетворительные результаты, что позволило далее проводить измерения тастером для более упрощенного и мобильного выполнения работ. Запись волнового процесса осуществлялась только на модели Бурейской ГЭС, которая составляла для всех режимов работы водосброса по 6 – 7 мин, что соответствовало 70-80 минутам в натурных условиях. Обработка записей и сопоставления с измерениями тастером приведены в п. 2.1.1.
Измерения высоты волн выполнялось на некотором удалении от уреза берегов для исключения фиксации отраженных волн на расстоянии примерно 10-12 м при пересчете на натурные значения. Деформации русла нижнего бьефа измерялись при помощи тастера. Уровни воды в бьефах устанавливались в соответствии с кривыми Q=f (отм.УВБ; отм.УНБ). Скорости течения, для дальнейшего сопоставления с данными теоретических расчетов, измерялись с помощью микровертушек, показания которых контролировались в процессе работы. Временной интервал осреднения принимался равным 1с; временной диапазон измерений около 30 с (5,5 мин. в натурных условиях).
Все натурные отметки на указанных выше гидроузлах приведены в Балтийской системе координат. Отметки для гидроузла ЛайЧау даны в местной системе координат.
Для мобильности проведения исследований волнообразования в русле нижнего бьефа при работе водосбросных сооружений измерения высоты волн на моделях гидроузлов выполнялись тастером со световым индикатором. Для условия пространственной модели Бурейского гидроузла выполнены записи волнения на компьютер при разных режимах работы водосбросных сооружений. Точки установки волнографов на пространственной модели этого гидроузла представлены на рисунке 2.1. Точки измерения тастером соответствуют точкам установки волнографов, представленные на рисунке 2.1. Запись и измерение тастером проводились для нескольких сбросных расходов при различном состоянии русла нижнего бьефа (на жесткой и раз 41 мываемой модели). Результаты выполненных измерений двумя способами и граничные условия проведения опытов приведены в таблице 2.3.
Обработка записей, выполненных при помощи волнографов, осуществлялась в программе PowerGraph, с применение фильтров, позволяющих сгладить низкие и высокие частоты, не имеющие отношение к волнообразованию (например, всплески, брызги вблизи волнографа). На рисунке 2.2 приведена характерная запись при помощи волнографа, обработанная с применением фильтров. По обработанным записям с помощью специальной программы определялись высоты волн, их количество и обеспеченность для каждой выполненной записи.
Кривые обеспеченности волн в нижнем бьефе для максимального расхода через гидроузел равного 11700 м3/с и случая неразмытого русла приведены на рисунках 2.3-2.6; характерные примеры кривых обеспеченностей для остальных случаев – в Приложении А.
Как отмечалось выше, параллельно с записью, проводились измерения волн при помощи тастера. Результаты сопоставлений, представленные в таблице 2.3, показали близкие значения по высоте волн, измеренными разными способами. Их высота при этом была близка к обеспеченности 1% (за указанный промежуток времени наблюдалось около 100 волн) для всего периода записи. При проведении измерений на моделях других гидроузлов, с использованием толь 43 ко тастера, время фиксации составляло около 3-4 мин, что позволяло оценить близкую к 1% обеспеченности высоту волн при различных граничных условиях.
Результаты сопоставлений записи волнографом с измерениями при помощи тастера показали хорошее их согласование (см. рисунок 2.7). Коэффициент корреляции при этом составил 0,95.
Записи параметров волн показали, что характерным являлись существенно большие периоды наблюдаемых волн, чем обычных ветровых – до 40-50 сек, вместо 6-10 сек. Однако в некоторых случаях имелись волны практически такой же высоты и с периодом 10-20 сек.
Следует так же отметить, что в работе [94] И.А. Вайсфельд проводит сопоставления измерений высоты волн при помощи мерной иглы (тастера) с осциллографической записью, результаты которых, при высоте волн более 5 мм, дают удовлетворительное согласование между двумя способами измерений.
Определение параметров волн при отбросе потока от сооружения
Приведем примеры имеющихся измерений параметров волн в русле нижнего бьефа в натурных условиях и некоторые сопоставления с лабораторными исследованиями.
В [87] приведены данные измерений высоты волн в нижнем бьефе водосливной плотины Воткинского гидроузла на р. Кама, полученные с помощью стереосъемки. Измерения выполнялись при пропуске расхода через гидроузел 7160 м3/с (Qв = 4150 м3/с; Qгэс = 3010 м3/с) и глубине нижнего бьефа – 14 м. Максимальная разность отметок поверхности воды достигает 3,2 м при разности осредненных отметок не более 1 м. Данные измерения максимальной высоты волны за местом падения потока хорошо согласуются с данными расчетов по определению исходной высоты волн в этой зоне (см. главу 3). По расчету высота волн за местом сопряжения потока с нижним бьефом для указанных выше граничных условий составляет 2,5 м; по данным натурных измерений – 3,0 м. Здесь приведены результаты измерений высот волн в нижнем бьефе Жигулевского гидроузла на разном расстоянии от водосливной плотины при пропуске сбросного расхода равного 21000 м3/с (рисунок 2.73). Измерения выполнены в мае 1956 году под руководством А.Д.Халтурина и И.М. Чекунаева [87].
Результаты измерений в натурных условиях на Жигулевской ГЭС хорошо согласуются с обобщенной зависимостью затухания волн с расстоянием от места образования (см. главу 3).
Результаты натурных измерений высоты волн в нижнем бьефе Жигулевского гидроузла при пропуске сбросного расхода равного 21000 м3/с 2. Волны высотой около 1,5 м фиксировались в натурных условиях у левого берега в 300 бьефе Бурейского гидроузла Для условий постоянной эксплуатации этого гидроузла на основании лабораторных исследований для защиты правого берега от размывов было принято решение об устройстве мо нолитного плитчатого крепления откосного типа с толщиной плит 1,0 м, защищенного у основания каменной наброской и рассчитанного на воздействие волн, высотой до 4 м.
При проведении опробования эксплуатационного водосброса Бурейского гидроузла в 2008 г в натурных условиях оценивалась высота волн у правого берега. Опробование проводилось при отметке УВБ = 248,3 м и отм. УНБ = 139 м. Удельные расходы на сходе с плотины составили около 18 м2/с. Затворы всех пролетов были открыты на 3 м, что обеспечивало свободное истечение через оголовок водосливной плотины. Через каждый пролёт проходил расход 250 м3/с, максимальный расход через весь водосбросной фронт достигал 2000 м3/с. Общий расход через гидроузел с учетом расхода ГЭС 750 м3/с составлял 2750 м3/с.
Высота волн у правого берега, на расстоянии около 450 м от оси плотины (здесь фиксировались максимальные по высоте волны на модели), составляла около 1,0 м (рисунок 2.75). Близкая по значениям высота волн при пропуске аналогичного расхода была получена и по данным пространственной модели этого гидроузла (рисунок 2.76). Высота волн у левого берега непосредственно за плотиной составила около 2,0 м. Оценку высоты волн в районе падения струи сделать не удалось из-за интенсивного брызгообразования и водяной пыли.
Испытания эксплуатационного водосброса этого гидроузла, проведенные в 2009 г., позволили дополнить натурный материал по параметрам волнения в нижнем бьефе. Расход через гидроузел при проведении испытаний достигал 5200 м3/с, в том числе через водосброс – 4500 м3/с и отм. УВБ=254,0 м. Высота волн у правого берега составляла, при указанном расходе, около 2 м (рисунок 2.77); вблизи места падения струи – 3,5 – 4 м, а в 1 км ниже плотины – 0,5 м [96].
При проведении испытаний в 2008 и 2009 гг оценивалась длина волн. При указанном расходе она составляла от 6 до 10 высот волн. В полном соответствии с модельными данными волновой фронт разворачивается в сторону отводящего канала ГЭС.
На пространственной модели этого гидроузла масштаба 1:100 проведены сопоставления натурных измерений с модельных данных. Выполненные измерения на модели показали, что высота волн в конце правобережного устоя составляет около 0,7 – 1,0 м, а на расстоянии 400 м от плотины 0,3 м (рисунок 2.80). На модели хорошо заметно снижение высоты волн с расстоянием от зоны сопряжения потока с нижним бьефом. В натурных условиях данное обстоятельство так же было отмечено (см. рисунок 2.78). Выполненные сопоставления показали удовлетворительное согласование результатов измерений.
Измерения высоты волн показывают, что в натурных условиях, так же как и на модели волны незначительной высоты наблюдаются на достаточно большом удалении от плотины. На Кременчугской ГЭС волны высотой до 0,3 м наблюдались в отводящем канале и фиксировались на расстоянии около 500 м от оси водосбросного тракта. За плотиной Волжского гидроузла образовывались волны высотой до 1,5-2,0 м. Распространяясь вниз по течению, они постепенно затухали, но отчетливо были видны в конце отводящего канала, расположенного примерно в 3 км от плотины. Эти волны интенсивно разрушали надводную часть берега, образовывая отмели. На Угличской ГЭС волны небольшой высоты, по данным натурных измерений, подмывали вогнутый берег р. Волги, расположенный примерно в 2 км от оси плотины.
Несмотря на отсутствие сопоставлений при пропуске больших расходов через водосбросные сооружения, широкая практика моделирования и многочисленные успешные примеры ее применения для обоснования креплений берегов в нижнем бьефе позволяют с определенной уверенностью принимать ответственные решения по конструкциям этих креплений, которые, как правило, были обоснованы лабораторными исследованиями.
Результаты расчетов и сопоставления их с экспериментальными данными
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных (см. рисунки 4.5, 4.15, 4.9 и 4.16) показывает, что имеется удовлетворительное их согласование, как по максимальным высотам волн, так и по характерным периодам волн в нижнем бьефе Бурейской ГЭС для рассматриваемого случая неразмытого русла. Так, например, при работе пролетов 1-3, 6-8 на расстоянии 580м от оси плотины максимальные высоты волн у правого берега по расчету составляют h=7м, а характерные периоды волн изменяются в диапазоне T=40-60 сек; по эксперименту -h=5м, T=40-50 сек. На расстоянии 800-880м от оси плотины максимальные высоты волн у левого берега по расчету составляют h=6,5м, а характерные периоды волн изменяются в диапазоне T=30-60 сек; по эксперименту - h=6м, T=40-60 сек.
На рисунке 4.17 для качественного сопоставления с расчетом (см. рисунки 4.2 и 4.3) приведена фотография испытаний водосброса Бурейской ГЭС при работе всего фронта и отм.УВБ=254,0 м в натурных условиях в 2009 г. Как видно из фотографии, даже при отм.УВБ ниже НПУ на 2 м, в отбрасываемой струе имеются 2 высоких гребня, соответствующих границам струй, отбрасываемых трамплинами-виражами и цилиндрическим трамплином. Кроме того, имеется ряд небольших гребней в струе, отбрасываемой цилиндрическим трамплином, обусловленных наличием бычков в верхней части плотины. Аналогичная картина наблюдается и для расчетных данных (см. рисунок 4.3).
Проводились расчеты работы водосливной плотины Бурейской ГЭС при наличии ямы размыва в нижнем бьефе и пропуске сбросных расходов через все пролеты водосброса при полном открытии затворов. Яма размыва моделировалась обобщенно путем задания ее максимальной глубины и плановых размеров в соответствии с экспериментальными данными. Пространственная геометрия дна русла нижнего бьефа, водосливной плотины, здания ГЭС и раздельной стены показана на рисунке 4.18. В этом расчете коэффициент турбулентной вязкости задавался в предположении, что смешение падающих струй с потоком нижнего бьефа в зоне ямы размыва происходит в поверхностном слое, расположенном выше отметки 130 м.
На рисунках 4.19-4.21 показаны результаты расчетов для случая открытия всех 8 пролетов водосливной плотины Бурейской ГЭС и работающих агрегатах ГЭС при наличии ямы размыва (отм. УВБ = 256,0 м; отм. УНБ = 145,3 м).
Картина течения в нижнем бьефе, показанная на рисунке 4.20 в отдельный момент времени, является достаточно сложной и динамически изменяющейся.
Результаты выполненных расчетов показали, что на расстоянии 800 м от оси плотины высота волн у правого берега составляет 3-3,5 м с периодом 30-60 сек, у левого берега высота волн составляет 3,5-4 м с периодом 90-120 сек. Экспериментальное значение высот волн при наличии ямы размыва для случая работы всех 8 пролетов водосливной плотины Бурейской ГЭС составляет 3,5 м у правого и левого берегов, что удовлетворительно согласуется с результатами численных расчетов.
На рисунке 4.22 приведены сопоставления результатов расчетов высоты волн с лабораторными измерениями на модели Бурейского гидроузла для варианта неразмытого русла нижнего бьефа, как при работе всех пролетов водосброса, так и при работе пролетов 1-3 и 6-8 и пролетов 1,3,6,8, а так же для варианта с ямой размыва и пропуске сбросного расхода через все пролеты водосброса.
На основе модифицированной модели мелкой воды выполнены расчеты работы водосливной плотины Бурейской ГЭС при различных вариантах открытия затворов пролетов водосброса и определены характерные параметры волнения в нижнем бьефе как для случая неразмытого русла, так и для варианта с ямой размыва в месте падения потока. Аэрация потоков в расчетах не учитывалась.
Полученные численные результаты по параметрам отбрасываемой струи для различных вариантов работы водосброса Бурейской ГЭС хорошо согласуются с экспериментальными и натурными данными.
Полученные численные результаты по характерным параметрам волнения в нижнем бьефе Бурейской ГЭС при различных вариантах открытия пролетов водосброса показали удовлетворительное согласование с данными экспериментальных исследований.
Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о возможности использования модифицированной модели мелкой воды и разработанных численных программ для оценки характерных параметров волнения, образующегося в нижнем бьефе при работе водосбросов, работающих по принципу отброшенной струи.