80 УДК 626.8 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ГРОДНЕНСКОЙ ГЭС Кандидаты техн. наук, доценты КРУГЛОВ Г. Г., ЛИНКЕВИЧ Н. Н. Белорусский национальный технический университет В послевоенной Белоруссии ощущался острый дефицит электрической энергии, особенно для электрификации сельского хозяйства и небольших населенных пунктов. Поэтому, несмотря на равнинный ландшафт нашей республики, начался активный процесс сооружения малых гидроэлектро- станций (ГЭС) на многочисленных реках. К 1960 г. их было около 170 с общей установленной мощностью 20 МВт, большинство находилось на балансе колхозов и совхозов. Капиталоемкость создания единицы мощности на них была достаточно высокой, приходилась она в основном на возведение подпорного и водо- сбросного сооружений, здания ГЭС и чаши водохранилища. Достоинством же как в то время, так и теперь было и остается использование возобновля- емых источников энергии гидроресурсов. Активное наращивание мощности Белорусской энергосистемы, став- шей впоследствии составной частью единой энергосистемы Советского Союза, строительство крупных и экономичных в то время тепловых элек- тростанций сделали работу этих ГЭС нерентабельной, они постепенно вы- водились из эксплуатации и были законсервированы. В середине 90-х гг. прошлого века резко подорожали энергоресурсы, в основном импортируемые, что вызвало необходимость поиска альтерна- тивных источников энергии: местных видов топлива, вторичных и возоб- новляемых. В настоящее время, по данным концерна «Белэнерго», в Беларуси дей- ствуют 25 гидроэлектростанций общей мощностью 10 МВт, а общий гид- роэнергетический потенциал страны составляет 400 МВт [1]. Использова- ние гидроэнергетического потенциала – 2,5 %. Доля возобновляемых ис- точников в энергетическом балансе в ближайшей перспективе должна достигнуть 25 %. Использование гидроресурсов является одним из путей решения этой проблемы [2]. В республике накоплен достаточный опыт восстановления ранее дей- ствовавших и строительства новых малых ГЭС, который позволяет при- г и д р о э н е р г е т и к а 81 ступить к созданию ГЭС на таких крупных реках, как Неман, Западная Двина и Днепр, где для этого имеются благоприятные условия: удобные створы, при использовании которых отметки НПУ водохранилищ не пре- вышают уровней паводковых вод в бытовых условиях. В состав сооружений Гродненской ГЭС входят бетонная водосливная плотина, здание ГЭС и глухая земляная плотина. В связи с тем, что водосливная плотина должна обеспечить в подтоп- ленном режиме пропуск значительных паводковых расходов (расчетный паводок 3%-й обеспеченности 2250 м3/с и поверочный – 0,5%-й обеспечен- ности 3280 м3/с), пропуск льда расчетной толщиной 68 см и надежное гашение кинетической энергии потока в нижнем бьефе, потребовались гидравлические исследования плотины на физической модели. Эти иссле- дования были выполнены в гидравлической лаборатории кафедры гидро- технического и энергетического строительства Белорусского национально- го технического университета. Компоновка Гродненской ГЭС (рис. 1) принята пойменной. Здание ГЭС и водосливная плотина расположены на правом берегу, а русло реки и ле- вый берег перекрыты земляной плотиной. Водосливной фронт плотины, равный 80 м, разбит тремя бычками на четыре водосливных отверстия ши- риной по 20 м каждое. Крайние бычки – неразрезные, имеют толщину 2,5 м, а центральный бычок – разрезной, его толщина – 5,0 м. Очертание напорной грани крайних бычков – треугольное, центрального бычка – тра- пецеидальное. Водосливные отверстия шириной 20 м и высотой 6,5 м перекрыты сег- ментными затворами с клапаном высотой 1 м. В бычках выполнены пазы для ремонтных затворов глубиной 0,6 м со стороны верхнего бьефа (ВБ) и нижнего бьефа (НБ). Маневрирование основными и ремонтными затво- рами ВБ осуществляется стационарными подъемниками, а ремонтными затворами НБ – козловым краном. Поперечный разрез по водосливной плотине приведен на рис. 2. Грави- тационная плотина имеет распластанный профиль с шириной подошвы, равной 37 м. Максимальная высота плотины от отметки гребня до отметки подошвы зуба – 6,5 м, высота водослива над отметкой дна реки – 3,5 м. Напорная грань плотины имеет ломаное очертание: от отметки подошвы зуба до отметки 90 м – вертикальное, от отметки 90 до 91 м – наклонное, затем снова вертикальное до отметки дна реки. Два участка напорной гра- ни выполнены горизонтальными: на отметке 92 м длиной 2,75 м и на от- метке 93 м – 1,25 м. Второй горизонтальный участок предназначен для установки ремонтных затворов со стороны верхнего бьефа. От отметки 93 м до гребня плотины напорная грань выполнена наклонной. Криволинейная водосливная грань сопрягается с горизонтальной по- верхностью водобоя на отметке 92 м по дуге окружности, очерченной ра- диусом R = 10 м. Концевая часть плотины выполнена в виде горизонталь- ной плиты толщиной 2,5 м и длиной 15,9 м, заканчивающейся низовым зубом. От крепления дна нижнего бьефа тело плотины отрезано конструктив- ным швом. Водобой, расположенный за водосливом, имеет комбинирован- ную конструкцию. Непосредственно за водосливом располагается водо- 82 бойная плита толщиной 2,5 м и длиной 10 м, в конце которой выполнена водобойная стенка трапецеидального очертания высотой 2 м и толщиной по низу 1,8 м. За водобойной стенкой находится водобойный колодец глу- биной 1 м (отметка поверхности колодца – 91 м) и длиной 15 м. Водобой разрезан продольными конструктивными швами через 15 м. Крепление рисбермы выполнено бетонными монолитными плитами. Первый ряд плит толщиной 1,4 м имеет плановые размеры 22×15 м, второй ряд плит толщи- ной 0,8 м – 15×18 м. Рис. 1. Компоновка Гродненской ГЭС Концевой участок рисбермы выполнен в виде предохранительного ковша глубиной 4,5 м. Заложение верхового откоса ковша 1:3,5. Ковш заполнен камнем до отметки 89,5 м – над верховым откосом и до отметки 91,0 м – над низовым откосом ковша. Экспликация сооружений Номер на плане Наименование 1 Здание ГЭС 2 Водосливная плотина 3 Земляная плотина 4 Подводящий канал 5 Отводящий канал 6 Бычок 7 Левобережный сопрягающий устой 8 Раздельная стенка 6 83 а б Рис. 2. Поперечное сечение по водосливной плотине: а – водослив; б – конструкции крепления нижнего бьефа В основу гидравлических исследований водосливной плотины Грод- ненской ГЭС положен метод физического моделирования [3–12], целью которого является воспроизведение в уменьшенном масштабе изучаемых явлений и обеспечение полного подобия натурных и модельных явлений. Размеры водосливного пролета, максимальные расходы, а также разме- ры гидравлического лотка и расходы насосной установки гидравлической лаборатории БНТУ обусловили изготовление опытной установки в мас- штабе 1:72 (рис. 3). Регулирование расходов, поступающих на модель, осуществлялось при помощи задвижки на подающем трубопроводе. Из трубопровода вода по- ступала в оголовок лотка, где установлен треугольный мерный водослив 84 с углом выреза 90°. Уровень воды перед мерным водосливом измерялся при помощи иглы в пьезометре, выведенном из стенки оголовка лотка. Точность измерения уровня воды в пьезометре – 0,1 мм. Рис. 3. Общий вид опытной установки Расход, проходящий через треугольный мерный водослив и поступаю- щий на модель, определялся по тарировочной кривой и для контроля вы- числялся по зависимости, предложенной для стальных мерных водосливов: Q = 1,343Н2,47, (1) где Н – напор на гребне мерного водослива, равный разности отметок уровня воды перед водосливом и его гребня. В соответствии с заданием на проведение исследований были выполне- ны следующие опыты: 1. Проверка пропуска расчетного паводкового расхода 3%-й обеспечен- ности. 2. Проверка пропуска поверочного паводкового расхода 0,5%-й обеспе- ченности. 3. Проверка пропуска льда через водосливной пролет при открытии клапана сегментного затвора. Высота клапана – 1 м, пропускаемый расход Q = 150 м3/с, в верхнем бьефе отметка нормального подпорного уровня (НПУ) равна 102,0 м, в нижнем бьефе отметка уровня воды – 94,8 м. Тол- щина льда – 68 см. Первые два опыта, в которых проверялись условия пропуска 3%-го и 0,5%-го паводков, проводились в следующей последовательности: • при помощи мерного водослива устанавливался расчетный расход, поступающий на модель; • посредством жалюзей в нижнем бьефе модели устанавливалась глу- бина воды, соответствующая этому расходу; • измерялась отметка уровня воды в верхнем бьефе модели и определя- лись напор на гребне плотины и перепад между верхним и нижним бьефа- ми, при котором проходил расчетный расход; 85 • фиксировалось положение гидравлического прыжка и оценивался ре- жим сопряжения бьефов; • в расчетном створе нижнего бьефа измерялись скорости потока на рисберме. Измерения проводились на оси потока через 0,5–4,0 см по вер- тикали. Третий опыт проводился в следующем порядке: • при помощи мерного водослива устанавливался расчетный расход, поступающий на модель; • посредством жалюзей в нижнем бьефе модели последовательно уста- навливались различные глубины воды, начиная с отметки 94,8 м; • при каждой глубине воды в нижнем бьефе пропускался через плотину лед и фиксировался режим его прохождения. В результате опытов проведены: • проверка пропуска расчетного паводкового расхода 3%-й обеспе- ченности. Расчетный паводковый расход 3%-й обеспеченности равен 2250 м3/с, через один пролет водосливной плотины должен пропускать- ся расход 562,5 м3/с при отметке уровня воды в верхнем бьефе, равной 102,0 м. Глубина воды в нижнем бьефе (в конце рисбермы), соответствую- щая этому расходу, равна 101,75 м. Модельный расход, соответствующий расчетному паводковому расхо- ду, равный 12,79 л/с, проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 102,45 м, т. е. на 0,45 м выше НПУ. Таким образом, перепад уровней воды в бьефах составляет 102,45 – 101,75 = 0,7 м. Поток в верхнем бьефе плотины и на входе в водосливной пролет спо- койный. От пазов, расположенных на боковых поверхностях бычков, на поверхности потока образуются косые волны, сходящиеся на оси пролета. Сбойности потока в нижнем бьефе не отмечено. Скорости потока в конце рисбермы не превышают 3,5 м/с (рис. 4а). а б 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 0 1 2 3 4 92 94 96 98 100 102 104 0 1 2 3 4 Рис. 4. Эпюры скоростей потока в нижнем бьефе на оси пролета: а – при пропуске расчет- ного расхода 3%-й обеспеченности; б – то же поверочного паводкового расхода 0,5%-й обеспеченности Лед при таких уровнях воды в бьефах проходит свободно, не задевая во- досливную поверхность плотины и не задерживаясь на водобое и рисберме; v, м/c v, м/c hНБ, м hНБ, м 86 • проверка пропуска поверочного расхода 0,5%-й обеспеченности. Поверочный паводковый расход 0,5%-й обеспеченности равен 3280 м3/с, через один пролет водосливной плотины должен пропускаться расход 820 м3/с, при отметке уровня воды в верхнем бьефе равной 104,5 м. Глуби- на воды в нижнем бьефе (в конце рисбермы), соответствующая этому рас- ходу, равна 103,8 м. Модельный расход, соответствующий расчетному паводковому расхо- ду, равный 18,64 л/с, проходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 105,17 м, т. е. на 0,67 м выше форсированного паводкового уровня (ФПУ). Перепад между уровнями воды в бьефах равен 1,37 м. Характер движения потока аналогичен предыдущему опыту, только волнение в нижнем бьефе несколько большее. Скорости потока в конце рисбермы не превышают 4,0 м/с (рис. 4б). Также был проведен опыт (по просьбе проектировщиков), при котором поверочный расход на модели уменьшался на 3 % с целью учета погреш- ности масштаба моделирования. На модель подавался расход 18,1 л/с, уро- вень воды в нижнем бьефе тот же, что и в предыдущем опыте. Этот расход проходил при отметке верхнего бьефа, равной 105,11 м, т. е. на 0,61 м вы- ше форсированного паводкового уровня. Перепад между уровнями воды в бьефах составил 1,31 м. Лед при таких уровнях воды в бьефах проходит свободно, не задевая водосливную поверхность плотины и не задерживаясь на водобое и рисберме. • проверка пропуска льда через водосливную плотину. В верхнем бьефе отметка НПУ равна 102,0 м. Расчетный расход Q = 150 м3/с, отмет- ка уровня воды в нижнем бьефе, соответствующая этому расходу, равна 94,8 м. Отметки гребня затвора, через который сбрасывается в нижний бьеф лед, – 101,0 м. При таком положении затвора расчетный расход про- ходит при отметке уровня воды в верхнем бьефе 103,79 м, т. е. на 1,79 м выше отметки НПУ. При высоте водобойной стенки 2 м (отметка гребня стенки – 94,0 м) гидравлический прыжок находится в критическом положении (начало прыжка располагается в сжатом сечении). За водобойной стенкой образу- ется второй гидравлический прыжок, который располагается в пределах водобойного колодца и также находится в критическом положении. Пере- пад на выходе из водобойного колодца незначительный. Скорость потока в конце рисбермы составляет 2,34 м/с. Искусственно замораживались льдины размерами в плане 13×18 см2 и 9×13 см2 и толщиной 1 см, что в масштабе соответствовало плановым размерам льдин 10×13 м2 и 6,5×10 м2 и их толщине 0,7 м. Лед при замора- живании подкрашивали чернилами. При отметке уровня воды в нижнем бьефе 94,8 м льдины всех размеров при пропуске над затвором ударялись о водосливную поверхность плоти- ны, о водобойную стенку и об уступ водобойного колодца (рис. 5). При увеличении глубины воды в нижнем бьефе до отметки 96,1 м льдины не задевали водобойную стенку и уступ водобойного колодца и проходили, не задерживаясь в них. Однако отмечены удары льдин о во- досливную поверхность плотины. 87 Рис. 5. Пропуск льда через водосливную плотину Аналогичная картина наблюдалась и при отметке уровня воды в ниж- нем бьефе 96,8 м. При этом льдины меньших размеров не задерживались в прыжке перед стенкой, а льдины большего размера задерживались в зоне гидравлического прыжка и под воздействием водоворотного потока перио- дически ударялись о водосливную поверхность плотины. При глубине воды в нижнем бьефе 6,0 м, что соответствует отметке уровня воды 98,0 м, прыжок и перед водобойной стеной и в водобойном колодце затоплен. Льдины всех размеров проходят, не затрагивая бетонные конструкции. Небольшие по размерам льдины совершают несколько воз- вратно-поступательных движений в прыжке, однако их ударов о бетонные конструкции не отмечено. Таким образом, во избежание ударов льдин о водосливную поверхность плотины и о крепления дна в нижнем бьефе пропуск льда необходимо начинать при отметке уровня воды в НБ, равной 98,0 м. Согласно кривой связи уровней и расходов воды в нижнем бьефе такая глубина соответству- ет расходу 900 м3/с. В Ы В О Д Ы 1. Водосливная плотина Гродненской ГЭС, состоящая из четырех про- летов по 20 м каждый, пропускает расчетный паводковый расход 3%-й обеспеченности при отметке уровня воды в верхнем бьефе 102,45 м на 0,45 м выше отметки НПУ. 2. Поверочный паводковый расход 0,5%-й обеспеченности пропускает- ся при отметке уровня воды в верхнем бьефе 105,17 м на 0,67 м выше от- метки ФПУ. 3. Сопряжение бьефов при пропуске расчетного и поверочного павод- ковых расходов происходит при затопленном гидравлическом прыжке. 4. Максимальные значения средней скорости на оси потока в конце рисбермы – 3,42 м/с при пропуске расчетного паводкового расхода и 4,02 м/с – при пропуске поверочного паводкового расхода. 5. Расчетный расход Q = 150 м3/с, при котором планируется сбрасывать в нижний бьеф лед через открытый клапан высотой 1 м, пропускается при 88 отметке уровня воды в верхнем бьефе 103,79 м, что на 1,79 м выше отмет- ки НПУ. 6. Пропуск льда в нижний бьеф при расходе 150 м3/с и соответствую- щей ему отметке уровня воды в НБ 94,8 м сопровождается ударами льдин о водосливную поверхность плотины и о конструкции крепления дна в нижнем бьефе. 7. Во избежание ударов льдин о водосливную поверхность плотины и о водобойные конструкции нижнего бьефа пропуск льда необходимо начинать при отметке уровня воды в нижнем бьефе 98,0 м, что соответ- ствует пропускаемому расходу 900 м3/с. Результаты исследований использованы для уточнения конструкции водосливной плотины при разработке строительного проекта Гродненской ГЭС. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. С о в р е м е н н о е состояние и возможные пути развития гидроэнергетики Белару- си // А. Н. Альферович [и др.] / Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объеди- нений СНГ). – 1993. – № 3–4. 2. Ш е н е ц, Л. В. Модернизация энергетической отрасли через энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии / Л. В. Шенец // Белорусский промышленный фо- рум, 2007. Технологии. Оборудование. Качество: сб. материалов 10-го междунар. симпоз., 15–18 мая 2007 г. – Минск, 2007. – С. 25–26. 3. Л е в и, И. И. Моделирование гидравлических явлений / И. И. Леви. – Л.: Энергия, 1967. – 210 с. 4. Л я х т е р, В. М. Гидравлическое моделирование / В. М. Ляхтер, A. M. Прудов- ский. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 39 с. 5. Ш а р п, Д. Ж. Гидравлическое моделирование / Д. Ж. Шарп. – М.: Мир, 1984. – 279 с. 6. А г р о с к и н, И. И. Гидравлика / И. И. Агроскин, Г. Г. Дмитриев, Ф. И. Пикалов. – М.; Л.: Энергия, 1964. – 352 с. 7. С п р а в о ч н и к по гидравлическим расчетам / под ред. П. Г. Киселева. – М.: Энер- гия, 1972. – 312 с. 8. З е г ж д а, А. П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей / А. П. Зегжда. – М.; Л.: Госстройиздат, 1938. – 164 с. 9. В е н и к о в, В. А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам элек- троэнергетики / В. А. Веников. – М.: Высш. шк., 1966. 10. П а н ф и л о в, Д. Ф. Моделирование давления и пропуска льда / Д. Ф. Панфилов // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство и архитектура. – 1964. – № 7. – С. 115–122. 11. П е т р у н и ч е в, Н. Н. О динамическом давлении льда на гидротехническое со- оружение. Льдотермические вопросы в гидротехнике / Н. Н. Петруничев. – М.; Л.: Гидро- метеоиздат, 1954. – С. 17–64. 12. П р о п у с к льда через гидротехнические сооружения / под ред. К. Н. Коржавина. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 182 с. Представлена кафедрой гидротехнического и энергетического строительства Поступила 12.12.2008