Расчеты, исследования, эксперименты
реклама
Ðàñ÷åòû, èññëåäîâàíèÿ, ýêñïåðèìåíòû Ðàçðàáîòêà êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà Òîëîøèíîâ À. Â., êàíäèäàò òåõí. íàóê (ÎÀÎ “ÐóñÃèäðî”), Âîëûí÷èêîâ À. Í., ãë. èíæåíåð ïðîåêòà ÁîÃÝÑ (ÎÀÎ “Èíñòèòóò Ãèäðîïðîåêò”), Ïðîêîôüåâ Â. À., Ñóäîëüñêèé Ã. À., êàíäèäàòû òåõí. íàóê (ÎÀÎ “ÂÍÈÈà èì. Á. Å. Âåäåíååâà”) Òåõíè÷åñêèé ïðîåêò Áîãó÷àíñêîé ÃÝÑ óñòàíîâëåííîé ìîùíîñòüþ 3000 ÌÂò (äåâÿòü àãðåãàòîâ ïî 333 òûñ. êÂò êàæäûé) ñ âîäîõðàíèëèùåì íà îòì. 208 ì óòâåðæäåí â 1979 ã. ðàñïîðÿæåíèåì Ñîâåòà Ìèíèñòðîâ ÑÑÑÐ ïî ñîãëàñîâàíèþ ñ Ãîññòðîåì ÑÑÑÐ.  1982 ã. â îñíîâíûå ñîîðóæåíèÿ ãèäðîóçëà áûë óëîæåí ïåðâûé êóáîìåòð áåòîíà. Ñ 1993 ïî 2005 ã. ñòðîèòåëüñòâî ñîîðóæåíèé ãèäðîóçëà âåëîñü êðàéíå íèçêèìè òåìïàìè.  2006 ã. ïîñëå ðåøåíèÿ î âîçîáíîâëåíèè ñòðîèòåëüñòâà ÁîÃÝÑ èíñòèòóòó “Ãèäðîïðîåêò” (ã. Ìîñêâà) áûëî ïîðó÷åíî âûïîëíèòü ÷àñòè÷íóþ êîððåêòèðîâêó òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé ïðîåêòà 1979 ã. Îñíîâíûìè ïðåäïîñûëêàìè äëÿ ÷àñòè÷íîãî ïåðåñìîòðà òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé ÿâèëèñü: èçìåíåíèå îñíîâíûõ ïîëîæåíèé íîðìàòèâíîé áàçû äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ ãèäðîòåõíè÷åñêèõ ñîîðóæåíèé; äåôèöèò ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé ãèäðîóçëà â ïåðèîä ïîñòîÿííîé è âðåìåííîé ýêñïëóàòàöèè; íåîáõîäèìîñòü îáåñïå÷åíèÿ ýêñïëóàòàöèîííîé íàäåæíîñòè âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé è âîçìîæíîñòè ïðîâåäåíèÿ òåêóùèõ ðåìîíòîâ âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé. Âîäîõîçÿéñòâåííûå è ãèäðîýíåðãåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû, âûïîëíåííûå â ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè ÑÍèÏ, ïîêàçàëè, ÷òî ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü ãèäðîóçëà â ïåðèîä âðåìåííîé è ïîñòîÿííîé ýêñïëóàòàöèè ìåíüøå, ÷åì òðåáóåòñÿ äëÿ ïðîïóñêà âåñåííåãî ïîëîâîäüÿ è ëåòíå-îñåííåãî ïàâîäêà. Äëÿ ñîõðàíåíèÿ ïðîåêòíûõ çíà÷åíèé ìàêñèìàëüíîãî óðîâíÿ âîäû â âåðõíåì áüåôå è îáåñïå÷åíèÿ íàäåæíîãî ïðîïóñêà ðàñõîäîâ â íèæíèé áüåô íåîáõîäèìî óâåëè÷åíèå ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè ãèäðîóçëà çà ñ÷åò óñòðîéñòâà âîäîñáðîñà ¹ 2 äîïîëíèòåëüíî ê ñóùåñòâóþùåìó è ÷àñòè÷íî âîçâåäåííîìó âîäîñáðîñó ¹ 1. Ïîëîæåíèå âîäîñáðîñà ¹ 2 â ïðîåêòå ïðèíÿòî íà ó÷àñòêå íåäîñòðîåííûõ ñåêöèé ¹ 20 – 22 áåòîííîé ïëîòèíû, ðÿäîì ñ ÷àñòè÷íî ïîñòðîåííûì âîäîñáðîñîì ¹ 1, ñ èñïîëüçîâàíèåì âûïîëíåííîãî êîòëîâàíà ïîä ïðåäïîëàãàåìîå ñòðîèòåëüñòâî àãðåãàòîâ ¹ 10 – 12 çäàíèÿ ÃÝÑ (ðåøåíèå îá îòìåíå ñòðîèòåëüñòâà óêàçàííûõ àãðåãàòîâ ïðèíÿòî ïîñëå 2 îòðàáîòêè êîòëîâàíà).  ïðîåêòå ðàññìîòðåíî òðè âàðèàíòà êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2, êîòîðûå îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà â îñíîâíîì ñïîñîáîì ãàøåíèÿ ýíåðãèè ñáðîñíîãî ïîòîêà.  äâóõ âàðèàíòàõ êîíñòðóêöèè ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ ãàøåíèå ýíåðãèè ïîòîêà â âîäîáîéíîì êîëîäöå, à â òðåòüåì — èñïîëüçóåòñÿ ñõåìà ñ îòáðîñîì ïîòîêà â íèæíèé áüåô çà ïðåäåëû âîçâîäèìûõ ñîîðóæåíèé.  ãèäðîòåõíè÷åñêîì ñòðîèòåëüñòâå âîïðîñû ýôôåêòèâíîãî ãàøåíèÿ èçáûòî÷íîé ýíåðãèè ïîòîêà è áîðüáû ñ ýðîçèåé ïîâåðõíîñòè âîäîïðîïóñêíûõ ñîîðóæåíèé âî ìíîãîì îïðåäåëÿþò èõ êîíñòðóêöèþ. Ïðåäâàðèòåëüíûé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî óñòðîéñòâî ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà ¹ 2 îáåñïå÷èâàåò: ðàáîòó âîäîñáðîñà â áåñêàâèòàöèîííîì ðåæèìå çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ è èíòåíñèâíîé àýðàöèè ïîòîêà; óìåíüøåíèå ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà íà ýëåìåíòû ñîîðóæåíèÿ è âîäîáîéíûå óñòðîéñòâà; ñíèæåíèå âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà íà ñêàëüíîå ðóñëî â íèæíåì áüåôå çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà âûõîäå èç âîäîáîéíîãî êîëîäöà. Øèðîêàÿ ãåîãðàôèÿ è äëèòåëüíàÿ èñòîðèÿ ïðèìåíåíèÿ ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ äåìîíñòðèðóåò ýôôåêòèâíîñòü è ïðîñòîòó ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè. Ñóùåñòâóåò ìíîãî ïðèìåðîâ èñïîëüçîâàíèÿ ñòóïåí÷àòûõ êîíñòðóêöèé äëÿ ãàøåíèÿ ýíåðãèè ñáðàñûâàåìîãî ïîòîêà [1]. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñáðîñû îáû÷íî ðàññ÷èòûâàþòñÿ íà óäåëüíûå ðàñõîäû äî 30 ì2/ñ (íàïðèìåð, ãèäðîóçëû Äå Ìèñò Êðààëü â ÞÀÐ è Âåë â Èñïàíèè) è ïðèìåíÿþòñÿ ïðè ïëîòèíàõ âûñîòîé äî 90 ì. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñáðîñíûå ïëîòèíû âîçâîäÿò è â ñóðîâûõ êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèÿõ. Òàê, ïëîòèíà Àïïåð Ñòèëóîòåð âûñîòîé 88 ì íà ð. Ðîêè-Êðèê âîçâåäåíà â 1987 ã. â ÑØÀ [2 – 5] íà îòìåòêàõ ðóñëà ðåêè íàä óðîâíåì ìîðÿ áîëåå 2400 ì. Ñòóïåí÷àòûé âîäîñáðîñ ýòîãî ãèäðîóçëà ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðàêòè÷åñêè åæåãîäíîãî ïðîïóñêà ðàñõîäîâ, è åãî êîíñòðóêöèÿ ïîçâîëÿåò ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ê êàâèòàöèîííîé ñòîéêîñòè áåòîíà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Íà ñòóïåí÷àòîé ãðàíè ýòîãî âîäîñáðîñà ñ óêëîíîì â âåðõíåé ÷àñòè 1:0,32, à â íèæíåé — 1:0,6 ïðîèñõîäèëà äèññèïàöèÿ ïðèìåðíî 70 % èçáûòî÷íîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïîòîêà. Äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ïðè ðàñ÷åòíîì ðàñõîäå íå ïðåâûøàëè íà âõîäå â âîäîáîéíûé êîëîäåö 10 ì/ñ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè âîäîñëèâà ñ ãëàäêîé ñëèâíîé ãðàíüþ ýòè ñêîðîñòè òå÷åíèÿ äîñòèãàëè áû 30 ì/ñ. Ïðè âûïîëíåíèè ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ èñïîëüçóåòñÿ ðàçëè÷íàÿ âûñîòà ñòóïåíåé. Íàèáîëüøàÿ âûñîòà ñòóïåíåé ñîñòàâëÿåò, íàïðèìåð, íà ïëîòèíå Âåë (Èñïàíèÿ) 1,2 ì (ïî íåêîòîðûì äàííûì íà ïëîòèíå ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí â ÊÍÐ — 4 ì), à øèðèíà ñòóïåíåé îïðåäåëÿåòñÿ óêëîíîì íèçîâîé ãðàíè ïëîòèíû. Ñòóïåí÷àòàÿ ñëèâíàÿ ãðàíü òàêèõ âîäîñáðîñîâ âûïîëíÿåòñÿ ëèáî èç âèáðèðîâàííîãî áåòîíà, êîòîðûé óêëàäûâàåòñÿ íà ìåñòå, ëèáî èç ñïåöèàëüíî èçãîòîâëåííûõ áåòîííûõ áëîêîâ. Äëÿ êîíñòðóêöèé ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ õàðàêòåðíî íàëè÷èå ãëàäêîãî âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà, ïðîôèëü êîòîðîãî âûïîëíÿåòñÿ áåçâàêóóìíûì [6], ÷òîáû îáåñïå÷èòü ïðè îòñóòñòâèè íà íåì ñòóïåíåé äîñòàòî÷íóþ ñêîðîñòü òå÷åíèÿ ó íèæåðàñïîëîæåííîãî àýðàòîðà. Òàêèå îãîëîâêè âûïîëíÿþò èç âèáðèðîâàííîãî áåòîíà, à çà íèì óñòðàèâàþò ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê ñî ñòóïåíÿìè ìåíüøåé âûñîòû, ÷åì íà îñòàëüíîé ÷àñòè âîäîñëèâíîé ãðàíè. Òàêîé ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê â êàêîé-òî ìåðå ïîçâîëÿåò óñòðàíèòü ñóùåñòâåííîå ðàçáðûçãèâàíèå ïîòîêà, êîòî- ðîå ìîæåò íàáëþäàòüñÿ ïðè íåáîëüøèõ ñáðîñíûõ ðàñõîäàõ, è ïðåäóñìîòðåí, íàïðèìåð, íà ïëîòèíàõ Ïóýáëà-äå-Êàçàëà (Èñïàíèÿ) [7], Ìîíêñâèëë (CØÀ) [8], Ì’Áàëè (Öåíòðàëüíàÿ Àôðèêàíñêàÿ Ðåñïóáëèêà) [9], Âåë (Èñïàíèÿ) [10].  ïîñëåäíèå ãîäû íà ðÿäå ãèäðîóçëîâ Êèòàÿ ãëàäêèå âîäîñëèâíûå îãîëîâêè ñîïðÿãàþòñÿ ñ íèæåðàñïîëîæåííîé ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíüþ ñ ïîìîùüþ âåðòèêàëüíîãî óñòóïà. Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ ñîïðÿæåíèÿ âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà ñî ñëèâíîé ãðàíüþ îáåñïå÷èâàåò ñóùåñòâåííóþ àýðàöèþ ïîòîêà íà ñòóïåíÿõ, âîçäóõ ïîñòóïàåò ê ïîòîêó ñíèçó, è îäíîâðåìåííî ñòðóÿ àýðèðóåòñÿ ñ áîêîâ. Ïî äàííûì [11], êîíöåíòðàöèè âîçäóõà ïîä ïîòîêîì îò 5 äî 8 % äîñòàòî÷íî, ÷òîáû èçáåæàòü êàâèòàöèè áåòîíà. Ïîýòîìó äëÿ ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ óäàåòñÿ èçáåæàòü êàâèòàöèè ïðè óäåëüíûõ ðàñõîäàõ äî 140 ì2/ñ [12].  [13] óêàçàíî, ÷òî ïðè âûñîòå ñòóïåíåé 1,2 ì è óêëîíå ãðàíè 1:0,84 áåç ðèñêà êàâèòàöèè ÷åðåç âîäîñáðîñ ìîãóò ïðîïóñêàòüñÿ óäåëüíûå ðàñõîäû äî 139,2 ì2/ñ. Îïûò ýêñïëóàòàöèè ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ ÊÍÐ ñâèäåòåëüñòâóåò îá èõ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòè. Íà ãèäðîóçëå Øóèäîí, ââåäåííîì â ýêñïëóàòàöèþ â 1994 ã., ñòóïåí÷àòûé âîäîñëèâ âûñîòîé 62 ì, ñ óêëîíîì íèçîâîé ãðàíè 1:0,65 îáîðóäîâàí ÷åòûðüìÿ ïëîñêèìè çàòâîðàìè ðàçìåðîì 15,0 ´ 15,0 ì è Êàìåííîíàáðîñíàÿ ïëîòèíà ÁîÃÝÑ. Âîäîñáðîñ ¹ 1 3 ðàññ÷èòàí íà ïðîïóñê ðàñõîäîâ 6010 ì3/ñ îáåñïå÷åííîñòüþ 1 % è 8323 ì3/ñ îáåñïå÷åííîñòüþ 0,1 %.[13]. Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ ýòèõ ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 120 è 139 ì2/ñ ñîîòâåòñòâåííî.  íèæíåì áüåôå ýòîãî âîäîñáðîñà óñòðîåí âîäîáîéíûé êîëîäåö, êîòîðûé îáðàçîâàí âîäîáîéíîé ñòåíêîé âûñîòîé îêîëî 3 ì. Íà áîëüøåé ÷àñòè äëèíû ýòîò êîëîäåö âûïîëíåí ïðàêòè÷åñêè áåç êðåïëåíèÿ ãðàíèòîâ îñíîâàíèÿ, çà èñêëþ÷åíèåì êîðîòêîãî íîñêà â íà÷àëå êðåïëåíèÿ.  1994 ã. ÷åðåç âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà áûë ïðîïóùåí ðàñõîä 5397 ì3/ñ, ò.å. áëèçêèé ê ðàñ÷åòíîìó ïàâîäêîâîìó ðàñõîäó îáåñïå÷åííîñòüþ 1 % (óäåëüíûé ðàñõîä ñîñòàâëÿåò 90 ì2/ñ). Âñÿ ñèñòåìà ñîïðÿæåíèÿ áüåôîâ ðàáîòàëà óäîâëåòâîðèòåëüíî, è ïîâðåæäåíèé ïîâåðõíîñòè áåòîíà íå çàôèêñèðîâàíî.  2001 ã. â ÊÍÐ áûë ââåäåí â ýêñïëóàòàöèþ ãèäðîóçåë Äà÷àîøåí [14, 15] ñ ïëîòèíîé âûñîòîé 111 ì. Ïîâåðõíîñòíûé âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà îáîðóäîâàí íà ãðåáíå ïÿòüþ ñåãìåíòíûìè çàòâîðàìè ðàçìåðîì 14,0 ´ 17,0 ì. Ãëàäêèé âîäîñëèâíîé îãîëîâîê ñîïðÿãàåòñÿ ñî ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíüþ óñòóïîì âûñîòîé îêîëî 2 ì. Óêëîí íèçîâîé ãðàíè ïëîòèíû 1:0,7, à âûñîòà ñòóïåíåé 1 ì. Ýòîò âîäîñáðîñ ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðîïóñêà ðàñ÷åòíûõ è ïîâåðî÷íûõ ðàñõîäîâ, ñîñòàâëÿþùèõ ñîîòâåòñòâåííî îêîëî 11 500 è 16 600 ì3/ñ. Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ ýòèõ ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 165 è 250 ì2/ñ ñîîòâåòñòâåííî.  ñëåäóþùåì ïîñëå ïóñêà ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí 2002 ã. áûëè ïðîâåäåíû íàòóðíûå èññëåäîâàíèÿ óñëîâèé ðàáîòû âîäîñáðîñà ïðè ïðîïóñêå ðàñõîäà 6173 ì3/ñ è ðàáîòå ÷àñòè ïðîëåòîâ (óäåëüíûé ðàñõîä îêîëî 80 ì2/ñ). Ãàøåíèå ýíåðãèè â ïðåäåëàõ âîäîñáðîñíîãî òðàêòà ïðîèñõîäèëî óñïåøíî. Õîòÿ áûëè îáíàðóæåíû íåêîòîðûå ïîíèæåíèÿ äàâëåíèÿ íà ñòóïåíÿõ íèæå àòìîñôåðíîãî, îïàñíîñòü êàâèòàöèè îòñóòñòâîâàëà â ñâÿçè ñ ñóùåñòâåííûì íàñûùåíèåì ïîòîêà âîçäóõîì. Ïîñëå ïðîïóñêà ðàñõîäîâ â 2002 ã. â òå÷åíèå 1000 ÷ ïîâðåæäåíèé êàâèòàöèîííîãî õàðàêòåðà íà âîäîñáðîñå íå íàáëþäàëîñü.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ÊÍÐ ïðîåêòèðóåòñÿ ãèäðîóçåë Áåéñ ñ ïëîòèíîé âûñîòîé 130 ì, óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ îñíîâíîãî è ïîâåðî÷íîãî ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 180 è 205 ì2/ñ. Âûñîòà âåðòèêàëüíîãî óñòóïà â êîíöåâîì ñå÷åíèè áûêîâ ñîñòàâèò 3 ì. Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, ñîñòàâëÿþùèå 34 è 45 ì2/ñ ïðè îòìåòêàõ ÓÂÁ, ðàâíûõ ÍÏÓ è ÔÏÓ ñîîòâåòñòâåííî, ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì ïðîåêòíûå çíà÷åíèÿ òàêèõ ðàñõîäîâ íà ðÿäå ðàññìîòðåííûõ âûøå ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñàõ, è ìåíüøå ðåàëüíî ïðîïóùåííûõ áåç êàêèõ-ëèáî íåáëàãîïðèÿòíûõ ïîñëåäñòâèé ÷åðåç ñòóïåí÷àòûé âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí. Ïîýòîìó îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ 4 ïðîïóñêà ðàñõîäîâ è äîñòàòî÷íîå ãàøåíèå ýíåðãèè ïîòîêà íà âîäîñëèâíîé ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå ñ ïðèìåíåíèåì êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2 ðåàëüíî. Ðàçðàáîòêà êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2. Ïðè ðàçðàáîòêå êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2 íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü: ãàøåíèå ýíåðãèè íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà; îòñóòñòâèå êàâèòàöèîííîé ýðîçèè çà ñ÷åò äîïîëíèòåëüíîãî ïîäâîäà âîçäóõà; ñîêðàùåíèå îáúåìîâ çåìåëüíî-ñêàëüíûõ ðàáîò; îïòèìèçàöèþ ðàçìåðîâ âîäîáîéíîãî êîëîäöà è óìåíüøåíèå òîëùèíû âîäîáîéíîé ïëèòû; ìèíèìàëüíûå ðàçìûâû ñêàëüíîãî ðóñëà íà åãî îòâîäÿùåì ó÷àñòêå. Ðàññìîòðèì ïðåäëàãàåìûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2. Ãðåáåíü âîäîñáðîñà ïðèíÿò íà îòì. 199,0 ì. Î÷åðòàíèå âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà âûáðàíî áåçâàêóóìíûì íà îñíîâå ïðîôèëÿ, ðåêîìåíäîâàííîãî Êîðïóñîì âîåííûõ èíæåíåðîâ ÑØÀ, ïî óðàâíåíèþ x = 2H0,85y, (1) ãäå H — ïðîôèëèðóþùèé íàïîð, ðàâíûé 10,5 ì; x è y — ñîîòâåòñòâåííî ãîðèçîíòàëüíàÿ è âåðòèêàëüíàÿ îñè, ïðîâåäåííûå èç öåíòðà íà ãðåáíå âîäîñáðîñà (ðèñ. 1). Äëÿ ñîïðÿæåíèÿ ãëàäêîãî îãîëîâêà è ñòóïåí÷àòîé ÷àñòè âîäîñáðîñà íà îòì. 194,13 ì ïðåäóñìîòðåí óñòóï âûñîòîé 1 ì. Íèæå, â äèàïàçîíå îòìåòîê 193,13 – 190,13 ì, ðàñïîëîæåí ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê ñ ñåìüþ ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5 ì, êîòîðàÿ ìåíüøå, ÷åì íà îñòàëüíîé äëèíå âîäîñëèâíîé ãðàíè. Íàðóæíûå êðîìêè ýòèõ ñòóïåíåé ñîïðÿãàþòñÿ ñ ïðîäîëæåíèåì êðèâîëèíåéíîãî ïðîôèëÿ WES. Íà÷èíàÿ ñ îòì. 190,13 ì âïëîòü äî îòìåòêè äíà êîëîäöà íàðóæíûå êðîìêè ñòóïåíåé ïîñòîÿííîé âûñîòû 1,5 ì ñîâìåùåíû ñ óñëîâíûì ïðîôèëåì “ãëàäêîé” âîäîñëèâíîé ãðàíè ñ óêëîíîì 1:0,85 (ðèñ. 1). Ïðè ïîäáîðå âûñîòû ñòóïåíåé ðàññìàòðèâàëèñü âàðèàíòû êîíñòðóêöèè âîäîñëèâíîé ãðàíè ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5; 0,75; 1,5 è 3 ì. Çà óñòóïîì â êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè ðàñïîëàãàëîñü 43 ñòóïåíè âûñîòîé 1,5 (ðèñ. 1), à äëÿ âàðèàíòà ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 3 ì — 22 òàêèõ ñòóïåíè. Êîíñòðóêöèÿ áûêîâ âîäîñáðîñà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 1. Âõîäíûå îãîëîâêè âûíåñåíû â âåðõíèé áüåô íà 6,7 ì îòíîñèòåëüíî íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû è ñêðóãëåíû ïî äóãå ýëëèïñà.  âåðõîâîé ÷àñòè ïðîëåòà â áûêàõ âûïîëíåíû ïàçû äëÿ óñòàíîâêè àâàðèéíî-ðåìîíòíîãî è ðàáî÷åãî çàòâîðîâ. Íà ðàññòîÿíèè 17,5 ì îò íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû âûïîë- a) 0.85 õ=2.0Í d ó 1 33,2 2 3 9 11,5 17,5 1 POC 15 10 2 6,7 1,5 á) Ðèñ. 1. Ïðîäîëüíûé ðàçðåç è ïëàí îäíîãî ïðîëåòà ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà íåí óñòóï (ðàñøèðåíèå â ïëàíå) ïðîëåòà ñ 10 äî 11,5 ì çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ øèðèíû îäíîãî áûêà íà 0,5 ì, à äðóãîãî — íà 1 ì. Ýòîò óñòóï â ïëàíå íà îòì. 194,13 ì ñîâìåùåí ñ óñòóïîì â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè âûñîòîé 1 ì äëÿ îáåñïå÷åíèÿ àýðàöèè ïîòîêà ïî âñåìó ïåðèìåòðó ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ. Òîëùèíà áûêîâ â èõ âûõîäíîì ñå÷åíèè íà ðàññòîÿíèè 26,5 ì îò íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû ðàâíà 3 ì äëÿ îäíîãî áûêà è 4 ì äëÿ äðóãîãî. Ñ êîíöåâûì ñòâîðîì áûêîâ, îáðàçóþùèì óñòóï â ïëàíå, ñîâìåùåí óñòóï íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âûñîòîé 3,6 ì íà îòì. 184,12 ì (ðèñ. 1). Ïðè îòðàáîòêå êîíñòðóêöèè âîäîáîéíîãî êîëîäöà ðàññìàòðèâàëèñü äâà âàðèàíòà åãî âûïîëíåíèÿ. Ïåðâîíà÷àëüíî â òåõíè÷åñêîì ïðîåêòå ïðèíÿò âàðèàíò êîëîäöà ñ îòìåòêîé äíà 114,6 ì è äëèíîé 102,0 ì. Äëèíà ãîðèçîíòàëüíîãî ó÷àñòêà äíà êîëîäöà ñîñòàâëÿåò 28,4 ì, à íèçîâîé íàêëîííûé ó÷àñòîê ñ óêëîíîì 1:3 çàáåòîíèðîâàí äî îòì. 126,0 ì. Äëÿ óìåíüøåíèÿ îáúåìîâ âûåìêè ñêàëüíîãî ãðóíòà è îáúåìîâ áåòîííûõ ðàáîò ïðåäëîæåí âàðèàíò âîäîáîéíîãî êîëîäöà, èñêëþ÷àþùèé ðàñ÷èñòêó ñêàëû â ñóùåñòâóþùåì êîòëîâàíå çäàíèÿ ÃÝÑ. Îòìåòêà ãîðèçîíòàëüíîãî ó÷àñòêà äíà äëèíîé 7,9 ì óâåëè÷åíà äî 117,0 ì. Äëèíà êîëîäöà ñîêðàùåíà äî 78 ì, à áåòîíèðîâàíèå íàêëîííîãî íèçîâîãî îòêîñà êîëîäöà âûïîëíåíî äî îòì. 130,7 ì. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà è ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé. Äëÿ âûïîëíåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé â ëàáîðàòîðíîì çàëå ÂÍÈÈà èì. Á. Å. Âåäåíååâà (ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã) âîçâåäåíà ôðàãìåíòàðíàÿ ìîäåëü ìàñøòàáà 1:30, âîñïðîèçâîäÿùàÿ îäèí ïðîëåò âîäîñáðîñà øèðèíîé ìåæäó îñÿìè áûêîâ 15 ì â íàòóðå. Ìîäåëü ñîñòîèò èç ìåòàëëè÷åñêîãî íàïîðíîãî áàêà, ìîäåëè âîäîñëèâíîé ãðàíè èç îðãñòåêëà, âîäîáîéíîãî êîëîäöà è ó÷àñòêà ðóñëà â íèæíåì áüåôå, ðàçìåùåííûõ â îòâîäÿùåì ëîòêå ìîäåëè øèðèíîé 0,5 ì. Âûñîòà ïëîòèíû íà ìîäåëè ñîñòàâëÿëà 2,8 ì, à âûñîòà ñòóïåíåé èçìåíÿëàñü îò 1,7 äî 10 ñì. Ìîäåëèðîâàíèå ãèäðàâëèêè ïîòîêà âûïîëíåíî â ñîîòâåòñòâèè ñ êðèòåðèåì Ôðóäà, ÷èñëà Ðåéíîëüäñà íà ñòóïåí÷àòîé ãðàíè ïðè ïðîïóñêå ðàñ÷åòíûõ ðàñõîäîâ ñîñòàâëÿëè îò 1 ´ 107 äî 5 ´ 107. Íà ìîäåëè âûïîëíåíû èçìåðåíèÿ ãëóáèí ïîòîêà, îñðåäíåííûõ è ïóëüñàöèîííûõ ñîñòàâëÿþùèõ äàâëåíèÿ íà îãîëîâêå âîäîñáðîñà, ñòóïåí÷àòîé âî5 Îòì, ì 210 ÔÏÓ 209,50 ÐÎÑ ÍÏÓ 208,0 6.2 9.2 6.7 10.1 .0 1 5 4 .9 1 ¹ -2 190 ¹5 .6 1 7 6 .5 1 5 .8 2 2 3 .9 1 ¹ 15 .7 2 4. 1 19 170 1 .5 2 9 .7 20 ¹ 25 150 2 3 4 6 .9 2 88 .8 1 ÓÍÁ=141,45 ¹ 35 .0 2 3 5 .6 1 130 .8 1 69 .4 ¹ 49 110 –40 –20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Ðàññòîÿíèå îò ÐÎÑ, ì Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå ïî îñè ïðîëåòà óðîâíåé âîäû 1, îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ 2, ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà ñëèâíîé ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå 3; ïîëîæåíèå òðàíçèòíîé ñòðóè 4 è ãðåáíè íà ïîâåðõíîñòè ïîòîêà 5, à òàêæå ïðîäîëüíûå ïðîôèëè ðàçìûâà ïî îñè 6 è ó ïðàâîé ñîïðÿãàþùåé ñòåíû äîñëèâíîé ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå íà åãî äíå è áîêîâûõ ñòåíàõ.  ðÿäå îïûòîâ èçìåðÿëàñü ãèäðîäèíàìè÷åñêàÿ íàãðóçêà íà ïåðâóþ ïëèòó äíà âîäîáîéíîãî êîëîäöà.  ðåçóëüòàòå îáðàáîòêè äàííûõ î ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ îïðåäåëåíû îñíîâíûå ñòàòèñòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè: ñòàíäàðòû (ñðåäíèå êâàäðàòè÷åñêèå îòêëîíåíèÿ), çàêîíû ðàñïðåäåëåíèÿ è ôóíêöèè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè. Íà ìîäåëè òàêæå âûïîëíÿëèñü èçìåðåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ è âîçäóõîñîäåðæàíèÿ (àýðàöèè) ïîòîêà. Ïî äàííûì èíæåíåðíî-ãåîëîãè÷åñêèõ èçûñêàíèé ó÷àñòîê íèæíåãî áüåôà â çîíå êîðåííûõ ñêàëüíûõ ïîðîä ñëîæåí äîëåðèòàìè, ñðåäíèé ðàçìåð áëîêà êîòîðûõ èçìåíÿåòñÿ îò 0,2 äî 0,7 ì. Ýòè äîëåðèòû ïðèêðûòû ñâåðõó ñðàâíèòåëüíî òîíêèì ñëîåì îñàäî÷íûõ ïîðîä, êîòîðûé, îäíàêî, âûäåðæàë ðàçìûâû â áûòîâîé ïåðèîä ïðîïóñêà ðàñõîäîâ ÷åðåç ðóñëî ð. Àíãàðû, ÷òî êîñâåííî ñâèäåòåëüñòâóåò î åãî äîñòàòî÷íî âûñîêîé ñîïðîòèâëÿåìîñòè ðàçìûâó. Íà ìîäåëè ñ ïîìîùüþ íåñâÿçíîãî ìàòåðèàëà — ãðàâèÿ ñî ñðåäíèì ðàçìåðîì îòäåëüíîñòåé îêîëî 0,8 ñì — âîñïðîèçâîäèëèñü òîëüêî êîðåííûå ñèëüíîòðåùèíîâàòûå äîëåðèòû, à â èõ ñîñòàâå — ìèíèìàëüíûé ðàçìåð ñîõðàííûõ ïîðîäíûõ áëîêîâ. Òàêèì îáðàçîì, íà ìîäåëè íåñâÿçíûì ìàòåðèàëîì âîñïðîèçâåäåíû îòäåëüíîñòè ñêàëû ñî ñðåäíèì ðàçìåðîì, ñîñòàâëÿþùèì îêîëî 0,25 ì â ïåðåñ÷åòå íà íàòóðó. Äëÿ äîñòîâåðíîé îöåíêè çíà÷åíèé ãàøåíèÿ ýíåðãèè íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà íà ìîäåëè ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê óñòàíàâëèâàëñÿ â êðèòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå òàê, ÷òîáû åãî ñæàòîå ñå÷åíèå ðàñïîëàãàëîñü ó ïîäîøâû ïëîòèíû. Ïîñëå èçìåðåíèÿ íà ìîäåëè âòîðîé ñîïðÿæåííîé ãëóáèíû ãèäðàâëè6 ÷åñêîãî ïðûæêà ðàñ÷åòîì ïî óðàâíåíèþ ïðûæêà îïðåäåëÿëèñü ãëóáèíà â ñæàòîì ñå÷åíèè ïðûæêà, ñêîðîñòü è êîýôôèöèåíò ñêîðîñòè â ýòîì ñå÷åíèè. Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé Óñëîâèÿ òå÷åíèÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà.  êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ íàáëþäàåòñÿ îòðûâ ïîòîêà ñ îáðàçîâàíèåì ïàçóõ â ïëàíå, ÷åðåç êîòîðûå âîçäóõ ñâîáîäíî ïðîíèêàåò ê ïîòîêó ïî âñåìó ïåðèìåòðó íèæíåé ïîâåðõíîñòè ñòðóè çà ñ÷åò íàëè÷èÿ âåðòèêàëüíîãî óñòóïà â ýòîì ñòâîðå. Ïîòîê ðàñøèðÿåòñÿ, êîíòàêòèðóåò ñ áîêîâûìè ñòåíàìè ñ îáðàçîâàíèåì ãðåáíåé íà ïîâåðõíîñòè ïîòîêà, â êîòîðûõ ãëóáèíà âîäû ñóùåñòâåííî âûøå, ÷åì ïî îñè ïîòîêà. Äàííûå îá èçìåíåíèè óðîâíåé âîäû è ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà òðàêòå ïðîëåòà âîäîñáðîñà ¹ 2, â âîäîáîéíîì êîëîäöå è íà îòâîäÿùåì ó÷àñòêå ðóñëà ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.  ðåçóëüòàòå ãèäðàâëè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé óñòàíîâëåíî ñëåäóþùåå: ïðèíÿòîå î÷åðòàíèå ïðîôèëÿ îãîëîâêà îáåñïå÷èâàåò áåçîòðûâíîå îáòåêàíèå ïîòîêîì, äàâëåíèå íà åãî ïîâåðõíîñòè áîëüøå àòìîñôåðíîãî; âàêóóìû íà ïîâåðõíîñòÿõ ñòóïåíåé îòñóòñòâóþò; ñêîðîñòè òå÷åíèÿ íà ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíè ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàþòñÿ, îäíàêî äî âõîäà ñòðóè â âîäó îíè íå ïðåâûøàþò 20 ì/ñ (ðèñ. 2); ïðîíèêíîâåíèå âîçäóõà â ïîòîê ÷åðåç ïàçóõè â ñòâîðå óñòóïà â ñðåäíåé ÷àñòè áûêîâ íåçíà÷èòåëüíî. Îòðûâ ïîòîêà â ñòâîðå óñòóïà â êîíöåâîì ñå÷åíèè áûêîâ îáåñïå÷èâàåò åãî çíà÷èòåëüíóþ àýðàöèþ, îñîáåííî ó äíà, ãäå âîçäóõîñîäåðæàíèå äîñòèãàåò 20 %. Êîëè÷åñòâî âîçäóõà â ïîòîêå ïî äëèíå ãðàíè íåñêîëüêî óìåíüøàåòñÿ. Íà ëèíèè, ñîåäèíÿþùåé âåðõíèå êðîìêè ñòóïåíåé (óñëîâíîé ëèíèè äíà ãðàíè), âîçäóõîñîäåðæàíèå ñîñòàâëÿåò 10 – 15 %. Âíóòðè ïàçóõ ñòóïåíåé, íèæå óêàçàííîé ëèíèè, êîëè÷åñòâî âîçäóõà â ïîòîêå ïðàêòè÷åñêè íå óìåíüøàåòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, çàùèòà ïîâåðõíîñòè ñòóïåíåé îò êàâèòàöèîííîé ýðîçèè îáåñïå÷èâàåòñÿ íåâûñîêèìè ñêîðîñòÿìè òå÷åíèÿ, êîòîðûå íà âñåé äëèíå ãðàíè äî ñòâîðà âõîäà ñòðóè â âîäó íå ïðåâûøàþò 20 ì/ñ, èíòåíñèâíûì íàñûùåíèåì ïîòîêà âîçäóõîì, îòñóòñòâèåì âàêóóìîâ íà ãðàíÿõ ñòóïåíåé. Îïàñíîñòü çíà÷èòåëüíîãî áðûçãîîáðàçîâàíèÿ ïðè ðàáîòå ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò. Ïîòîê ïðè ñêîëüçÿùåì ðåæèìå òå÷åíèÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè â ñâîåé âåðõíåé ÷àñòè äîñòàòî÷íî ãëàäêèé, òîëüêî ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñòðóè ñ áîêîâûìè ñòåíàìè îáðàçóþòñÿ ãðåáíè íà ïîâåðõíîñòè ïîòîêà. Âûñîòà ïîòîêà â ãðåáíÿõ â 2 – 2,5 ðàçà áîëüøå, ÷åì ïî îñè ïîòîêà. Àíàëèç ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòóþ âîäîñëèâíóþ ïîâåðõíîñòü âîäîñáðîñà ïîêàçûâàåò ñëåäóþùåå. Îñðåäíåííîå äàâëåíèå íà âåðòèêàëüíûõ ãðàíÿõ ñòóïåíåé áëèçêî ê àòìîñôåðíîìó, à åãî íàèáîëüøèå çíà÷åíèÿ ôèêñèðóþòñÿ íà ãîðèçîíòàëüíûõ ïîâåðõíîñòÿõ ñòóïåíåé òîëüêî âáëèçè íàðóæíîãî óãëà. Îñðåäíåííîå äàâëåíèå íà ñòóïåíÿõ óâåëè÷èâàåòñÿ ïî äëèíå ãðàíè è äîñòèãàåò íà íèæíèõ ñòóïåíÿõ âáëèçè ïîäîøâû ïëîòèíû 50 – 60 êÏà. Èíòåíñèâíîñòü ïóëüñàöèîííîé ñîñòàâëÿþùåé äàâëåíèÿ íà ñòóïåíÿõ (îòíîøåíèå åå ñðåäíåãî êâàäðàòè÷åñêîãî îòêëîíåíèÿ ê ñêîðîñòíîìó íàïîðó) â íèçîâîé ÷àñòè ãðàíè ñîñòàâëÿåò 0,05 – 0,10, à ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèÿ ñðåäíåå êâàäðàòè÷åñêîå îòêëîíåíèå — 20 êÏà [1]. Ïðè íåáîëüøèõ ðàñõîäàõ ïîòîêà íà òðàêòå âîäîñáðîñà è ïåðåïàäíîì ðåæèìå òå÷åíèÿ ôóíêöèè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ íà ñòóïåíÿõ èìåþò âèä áåëîãî øóìà äî ÷àñòîò 40 – 50 Ãö. Ïðè ðàñ÷åòíîì ðàñõîäå è ñêîëüçÿùåì ðåæèìå òå÷åíèÿ ñóùåñòâåííàÿ ÷àñòü ôóíêöèé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ðàñïîëîæåíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò íå ïðåâûøàþùèõ 3 Ãö [1]. Òàêèì îáðàçîì, ãèäðîäèíàìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòóþ âîäîñëèâíóþ ãðàíü íå ïðåäñòàâëÿåò îïàñíîñòè äëÿ ïðî÷íîñòè è óñòîé÷èâîñòè ìàññèâíîé áåòîííîé ïëîòèíû Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, íå ìîæåò ïðèâåñòè ê âèáðàöèè ýòîãî ñîîðóæåíèÿ, òàê êàê îñðåäíåííûå íàãðóçêè ïðåíåáðåæèìî ìàëû, à âåäóùèå ÷àñòîòû ïóëüñàöèè íàãðóçêè íà ñòóïåíÿõ îò âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà ñóùåñòâåííî íèæå ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò ïëîòèíû. Ïóëüñàöèÿ ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà âåðòèêàëüíûõ ãðàíÿõ ñòóïåíåé ìîæåò ïðèâåñòè ê îáðàçîâàíèþ âàêóóìîâ è, ñëåäîâàòåëüíî, ê âîçìîæíîé êàâèòàöèîííîé ýðîçèè ñòóïåíåé. Îäíàêî ñóùåñòâåííîå íàñûùåíèå íèçîâîé ÷àñòè ïîòîêà âîçäóõîì (äî 10 – 15 %) è ñðàâíèòåëüíî íèçêèå ñêîðîñòè q, ì2/c 55 -1 -2 -3 -4 -5 -6 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 j 1,0 Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ñêîðîñòè j îò óäåëüíîãî ðàñõîäà q: 1 – 2 — äëÿ îòìåòêè ãðåáíÿ âîäîñáðîñà 199 ì è ñòóïåíåé âûñîòîé 1,5 è 3 ì ñîîòâåòñòâåííî; 3 — äëÿ îòìåòêè ãðåáíÿ âîäîñáðîñà 176 ì (âðåìåííûé ïîðîã) è ñòóïåíåé âûñîòîé 1,5 ì; 4 – 6 — ïî äàííûì [17] äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 1,9; 2,6 è 4,6 ì ñîîòâåòñòâåííî òå÷åíèÿ (ìåíüøå 20 ì/ñ) íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàþò çàùèòó ïîâåðõíîñòè áåòîíà îò êàâèòàöèè. Ïðè äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèÿõ, òåì íå ìåíåå, ïëàíèðóåòñÿ âûïîëíèòü äîïîëíèòåëüíûå ãèäðàâëè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ïóëüñàöèè ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè, è â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåçóëüòàòàìè íàçíà÷èòü ñîñòàâû áåòîíà. Ãàøåíèå ýíåðãèè íà âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà. Ãàøåíèå ýíåðãèè íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàåòñÿ çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ ïîòîêà ñ âîäîâîðîòíûìè îáëàñòÿìè, êîòîðûå îáðàçóþòñÿ â ïàçóõàõ ñòóïåíåé. Ñðåäíèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî òðåíèÿ ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âîçðàñòàþò ñ óâåëè÷åíèåì âûñîòû ñòóïåíåé, äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 0,5; 0,75; 1,5 è 3 ì îíè ñîñòàâëÿþò ñîîòâåòñòâåííî 0,17; 0,28; 0,53 è 1,8. Ïðèìåðíî òàêèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî òðåíèÿ çàôèêñèðîâàíû äëÿ ñêàëüíûõ ðóñë ðåê [16]. Ðàññìîòðèì ðåçóëüòàòû èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ, õàðàêòåðèçóþùèõ ïîòåðè ñêîðîñòè è ýíåðãèè íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà, â çàâèñèìîñòè îò óäåëüíîãî ñáðîñíîãî ðàñõîäà. Îñíîâíûå äàííûå î çíà÷åíèÿõ êîýôôèöèåíòà j, õàðàêòåðèçóþùåãî óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ ó ïîäîøâû ïëîòèíû ïî ñðàâíåíèþ ñ îïðåäåëåííûì ïðè óñëîâèè îòñóòñòâèÿ ïîòåðü ýíåðãèè, â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ óäåëüíîãî ðàñõîäà q ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3. Ñðåäíèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ñêîðîñòè ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñÿò îò âûñîòû ñòóïåíåé. Êîýôôèöèåíò ñêî7 ðîñòè j äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 1,5 è 3 ì íà âîäîñëèâíîé ãðàíè ïðè ïðîïóñêå ìàêñèìàëüíîãî ðàñõîäà ñîñòàâëÿåò â ñòâîðå ó ïîäîøâû ïëîòèíû 0,57, ÷òî ïðèìåðíî ñîâïàäàåò ñ äàííûìè [17, 18]. Ãàøåíèå (ïîòåðÿ) ïîëíîé óäåëüíîé ýíåðãèè ïîòîêà íà ó÷àñòêå îò âåðõíåãî áüåôà äî ïîäîøâû ïëîòèíû ñîñòàâëÿåò îêîëî 70 %, ÷òî ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóåò ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì [19], ïîëó÷åííûì äëÿ óêëîíà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè 50°. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî îïòèìàëüíàÿ âûñîòà ñòóïåíåé ñîñòàâëÿåò 1,5 ì, ÷òî è ñîîòâåòñòâóåò ïîëîâèíå âûñîòû áëîêîâ áåòîíèðîâàíèÿ. Óâåëè÷åíèå âûñîòû ñòóïåíåé äî 3 ì ïðèâîäèò ê äîïîëíèòåëüíîìó áðûçãîîáîðàçîâàíèþ íà ñëèâíîé ãðàíè, íî ãàøåíèå ýíåðãèè íå âîçðàñòàåò. Óñëîâèÿ ãàøåíèÿ ýíåðãèè â âîäîáîéíîì êîëîäöå, ïàðàìåòðû ðåæèìà òå÷åíèÿ è ðàçìûâû äíà íà îòâîäÿùåì ó÷àñòêå ðóñëà â íèæíåì áüåôå. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè âîäîáîéíîãî êîëîäöà êîýôôèöèåíò çàòîïëåíèÿ ïðûæêà ñîñòàâëÿåò îêîëî 2,5 è ñæàòîå ñå÷åíèå ïðûæêà ðàñïîëàãàåòñÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Ñîîòâåòñòâåííî äëèíà ïóòè òðàíçèòíîé ñòðóè â âîäå îò ñæàòîãî ñå÷åíèÿ ïðûæêà äî ïîäîøâû ïëîòèíû â ïåðåäåëàõ íèçîâîé ÷àñòè ñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàåò äîïîëíèòåëüíîå ãàøåíèå ýíåðãèè ïîòîêà è óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ. Ê èíòåíñèâíîìó ãàøåíèþ ýíåðãèè â ãèäðàâëè÷åñêîì ïðûæêå ïðèâîäèò çíà÷èòåëüíàÿ òîëùèíà âàëüöà ãèäðàâëè÷åñêîãî ïðûæêà (ðèñ. 2). Äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ â òðàíçèòíîé ñòðóå â íà÷àëå âîäîáîéíîãî êîëîäöà óìåíüøàþòñÿ ïðàêòè÷åñêè â 2 ðàçà ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòâîðîì âõîäà ñòðóè â âîäó. Ó ïîäîøâû ïëîòèíû îíè ñîñòàâëÿþò îêîëî 9 – 10 ì/ñ. Åñëè áû ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê áûë ðàñïîëîæåí â êðèòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ó ïîäîøâû ïëîòèíû ïðè îòñóòñòâèè ïîäòîïëåíèÿ ñî ñòîðîíû íèæíåãî áüåôà, òî äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ â ýòîì ñòâîðå ñîñòàâèëè áû 24 ì/ñ. Òàêèì îáðàçîì, ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê îáåñïå÷èâàåò çà ñ÷åò ãàøåíèÿ ýíåðãèè óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé ó ïîäîøâû ïëîòèíû ïðèìåðíî â 3 ðàçà. Ïî äëèíå äíà âîäîáîéíîãî êîëîäöà îò ïîäîøâû ïëîòèíû ê åãî íèçîâîìó îòêîñó ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ñóùåñòâåííî íå èçìåíÿþòñÿ.  âåðõîâîì ñòâîðå áåòîííîãî êðåïëåíèÿ ñ îòì. 130,7 ì ìàêñèìàëüíûå äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ñîñòàâëÿþò âñåãî 2 – 3 ì/ñ (ðèñ. 2). Ïðè âûõîäå ïîòîêà íà ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê ðóñëà ñ îòì. 133 ì ñêîðîñòè ïîòîêà íåñêîëüêî óâåëè÷èâàþòñÿ çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ æèâîãî ñå÷åíèÿ ïîòîêà.  íèæíåì áüåôå çà ïðåäåëàìè ðàçäåëüíûõ ñòåí âîäîñáðîñà ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ïðàêòè÷åñêè ñîîòâåòñòâóþò áûòîâûì çíà÷åíèÿì. Îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèå ðàçìûâû îòâîäÿùåãî ñêàëüíîãî ðóñëà çàôèêñèðîâàíû çà âîäîáîéíûì êîëîäöåì (ðèñ. 2). Íàèáîëüøàÿ ãëóáèíà âîðîíêè ðàç8 ìûâà äîñòèãàåò 5 ì ïîñëå ïðîïóñêà ïàâîäêà ðàñ÷åòíîé îáåñïå÷åííîñòè. Îòìåòêè äíà ÿìû ðàçìûâà âûøå îòìåòîê ïîäîøâû îãðàæäàþùèõ ñòåí ïîñòðîåííîãî âîäîñáðîñà ¹ 1, ïîýòîìó òàêîé ðàçìûâ ñêàëû íå óãðîæàåò áåçîïàñíîñòè ðàçäåëüíûõ ñòåí âîäîñáðîñà. Îïðåäåëåíèå ãèäðîäèíàìè÷åñêèõ íàãðóçîê íà ïëèòû äíà è áîêîâûå ñòåíû âîäîáîéíîãî êîëîäöà.  âîäîáîéíîì êîëîäöå îòìåòêè óðîâíåé âîäû íèæå îòìåòîê ÓÍÁ, íåñìîòðÿ íà äîñòàòî÷íî âûñîêóþ ñòåïåíü çàòîïëåíèÿ ïðûæêà. Ñîîòâåòñòâåííî è çíà÷åíèÿ îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ íà äíî âîäîáîéíîãî êîëîäöà ìåíüøå, ÷åì îïðåäåëÿåìûõ ðàñ÷åòîì â çàâèñèìîñòè îò ÓÍÁ (ðèñ. 2). Çíà÷åíèÿ îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ óìåíüøàþòñÿ ïî äëèíå êîëîäöà ñ 20 äî 10 ì (â êîíöå áåòîííîãî êðåïëåíèÿ). Ê óâåëè÷åíèþ âçâåøèâàþùèõ íàãðóçîê íà ïëèòû âîäîáîéíîãî êîëîäöà ïðèâîäÿò ñóùåñòâåííûå çíà÷åíèÿ ïóëüñàöèè ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ. Ñòàíäàðòû ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ íà äíî êîëîäöà ñîñòàâëÿþò îêîëî 5 % îò ñêîðîñòíîãî íàïîðà â ñæàòîì ñå÷åíèè ãèäðàâëè÷åñêîãî ïðûæêà è óìåíüøàþòñÿ ïî äëèíå. Íåîáõîäèìàÿ òîëùèíà ïëèò äíà âîäîáîéíîãî êîëîäöà, îïðåäåëÿåìàÿ ïðè óñëîâèè ïîëíîñòüþ ãåðìåòè÷íûõ øâîâ ìåæäó ïëèòàìè, ñîñòàâëÿåò 4,5 ì. Ìàêñèìóìû ôóíêöèé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè è ýíåðãåòè÷åñêîãî ñïåêòðà ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ ðàñïîëîæåíû â îñíîâíîì ïðè íèçêèõ çíà÷åíèÿõ ÷àñòîò äî 1 – 2 Ãö, à ïðè áîëüøèõ ÷àñòîòàõ ýòè ôóíêöèè çàêîíîìåðíî çàòóõàþò. Îáû÷íî ÷àñòîòû ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé áûêîâ âîäîñáðîñà ñîñòàâëÿþò 6 – 8 Ãö, ïîýòîìó íåîáõîäèìîñòü äèíàìè÷åñêîãî ðàñ÷åòà ïëèò êîëîäöà è áîêîâûõ ñòåí îòñóòñòâóåò. Îöåíêà ýêñïëóàòàöèîííûõ ïðîáëåì ïðè ïðîïóñêå ïàâîäêîâûõ ðàñõîäîâ ÷åðåç âîäîñáðîñ ¹ 2. Ðàáîòà âîäîñáðîñà ¹ 2 ïëàíèðóåòñÿ ýïèçîäè÷íîé, òîëüêî â ïåðèîä ïðîïóñêà âåñåííåãî ïîëîâîäüÿ è ëåòíå-îñåííåãî ïàâîäêà. Íåñìîòðÿ íà îòðàáîòêó îïòèìàëüíîé êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà, ïðè åãî ýêñïëóàòàöèè âîçìîæíî ïîÿâëåíèå ñëåäóþùèõ ïðîáëåì, êîòîðûå ìîãóò áûòü àêòóàëüíû è äëÿ äðóãèõ âàðèàíòîâ êîíñòðóêöèé âîäîñáðîñà: îáðàçîâàíèå ëåäÿíîãî ïîêðîâà íà âîäîñëèâíîé ãðàíè èç-çà âîçìîæíûõ ïðîòå÷åê âîäû ÷åðåç óïëîòíåíèÿ çàòâîðîâ íà îãîëîâêå âîäîñáðîñà; íåîáõîäèìîñòü çàùèòû âîäîñëèâíîé ãðàíè ïðè âîçìîæíîì ïîïàäàíèè íà íåå îòäåëüíûõ ëüäèí, áðåâåí è ìóñîðà èç âîäîõðàíèëèùà ïðè îòêðûòèè çàòâîðà è íà÷àëå ïðîïóñêà ðàñõîäîâ. Ñòðîÿùåéñÿ Áîãó÷àíñêèé ãèäðîóçåë ÿâëÿåòñÿ ÷åòâåðòîé (íèæíåé) ñòóïåíüþ êàñêàäà ãèäðîóçëîâ íà ð. Àíãàðå.  ïåðèîä ýêñïëóàòàöèè âûøåðàñïîëîæåííûõ Èðêóòñêîãî, Áðàòñêîãî, Óñòü-Èëèìñêîãî ãèäðîóçëîâ íàêîïëåí çíà÷èòåëüíûé ïðàêòè÷åñêèé îïûò ïî ïðîïóñêó ïàâîäêîâûõ ðàñõîäîâ ÷åðåç ïîâåðõíîñòíûå âîäîñáðîñû. Àíàëèç ýòîãî îïûòà, à òàêæå îáîáùåíèå äàííûõ ïî äðóãèì ãèäðîóçëàì Ðîññèè, êîòîðûå ýêñïëóàòèðóþòñÿ â ñóðîâûõ êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèÿõ, ïîçâîëÿò ðàçðàáîòàòü ìåðîïðèÿòèÿ ïî îáåñïå÷åíèþ áåçàâàðèéíîãî ðåæèìà ðàáîòû âîäîñáðîñà ¹ 2 ïðè äàëüíåéøåì óñîâåðøåíñòâîâàíèè åãî êîíñòðóêöèè. Âûâîäû 1.  ðåçóëüòàòå âûïîëíåííûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé îòðàáîòàíà êîíñòðóêöèÿ ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, îáåñïå÷èâàþùàÿ íàäåæíûå óñëîâèÿ ïðîïóñêà ðàñõîäîâ ïðè ïîñòîÿííîé ýêñïëóàòàöèè. 2. Êîíñòðóêöèÿ ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ñîñòîèò èç ãëàäêîãî âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà, ïåðåõîäíîãî ó÷àñòêà ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5 ì è âîäîñëèâíîé ãðàíè ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 1,5 ì. Äëÿ àýðàöèè ïîòîêà â êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ ïðåäóñìîòðåí âåðòèêàëüíûé óñòóï âûñîòîé 3,6 ì. 3. Êîíôèãóðàöèÿ âîäîáîéíîãî êîëîäöà ñîîòâåòñòâóåò î÷åðòàíèþ ñóùåñòâóþùåãî êîòëîâàíà çäàíèÿ ÃÝÑ, äîïîëíèòåëüíîé ðàçáîðêè ñêàëû äëÿ âûïîëíåíèÿ êîëîäöà íå òðåáóåòñÿ. Íåîáõîäèìàÿ òîëùèíà ïëèò êîëîäöà ñîñòàâëÿåò 4,5 ì. 4. Ê ïðåèìóùåñòâàì ðåêîìåíäóåìîãî âàðèàíòà âûïîëíåíèÿ âîäîñáðîñà ïî ñðàâíåíèþ ñ âàðèàíòîì òðàäèöèîííîé, ãëàäêîé âîäîñëèâíîé ãðàíè ìîæíî îòíåñòè: ìåíüøóþ ñòîèìîñòü ðàáîò è ìàòåðèàëîâ, òåõíîëîãè÷íîñòü è âûñîêóþ ñêîðîñòü áåòîíèðîâàíèÿ ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè; îòñóòñòâèå ïîâûøåííûõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó áåòîíà íà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Çàùèòà îò êàâèòàöèîííîé ýðîçèè ïîâåðõíîñòè ñòóïåíåé îáåñïå÷èâàåòñÿ ñóùåñòâåííîé àýðàöèé ïîòîêà è ñðàâíèòåëüíî íèçêèìè ñêîðîñòÿìè òå÷åíèÿ, êîòîðûå íå ïðåâûøàþò 20 ì/ñ; ýêîíîìèþ áåòîíà çà ñ÷åò ìåíüøåé òîëùèíû ïëèòû âîäîáîéíîãî êîëîäöà è îáåñïå÷åíèå óñòîé÷èâîñòè îãðàæäàþùèõ ñòåí âîäîñáðîñà; íåçíà÷èòåëüíûå ðàçìûâû ñêàëû çà âîäîáîéíûì êîëîäöåì ïðè ñêîðîñòÿõ òå÷åíèÿ, áëèçêèõ ê áûòîâûì çíà÷åíèÿì. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. Øâàéíøòåéí À. Ì., Ñóäîëüñêèé Ã. À. Ãèäðîäèíàìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå íà íèçîâóþ ãðàíü ñòóïåí÷àòûõ ïëîòèí // Èçâåñòèÿ ÂÍÈÈà èì. Á. Å. Âåäåíååâà. 2000. Ñ. 37 – 44. 2. Burec debits first rollcrete dam // Engineering News Record. 1984. V. 212. ¹ 13. 3. Richardson A. T. Upper Stillwater dam roller compacted concrete design and construction concepts // Trans. of the 15th ICOLD, Lausanne. 1985. V. 2. P. 143 – 155. 4. Dolån T. P., Richardson A. T. Slip formed concrete failing for roller compacted concrete dams // Trans. of the 16th ICOLD, San Francisco. 1988. V. 3. P. 397 – 416. 5. Houston K. L., Richardson A. T. Energy dissipation characteristics of a stepped spillway for an RCC dam // The Int. Symposium on Hydraulics for High Dams, Beijing. 1988. P. 91 – 98. 6. Tozzi M. An investigation on stepped spillways. Large Brazilian spillways. 2002. P. 185 – 191. 7. Jardin B. J. La Puebla de Cazalla’s dam spillway with roller concrete steps // ICOLD, Spanish Nat. Committee. Int. Symposium on Dams and Extreme Floods, Granada. 1992. V. 1. 8. Sorensen R. M. Stepped spillway hydraulic model investigation // Jour. Hydr. Engineering. 1985. V. III. ¹ 12. 9. Bindo M., Goatter J., Lacroix. The stepped spillway of M’Bali dam // Int. Water Power and Dams Construction. 1993. V. 45. ¹ 11. 10. The Val dam: Hydraulic project criteria and reduced-scale modeling / N. Alonso, M. A. Bermúdez, M. Zueco, V. Elviro // Dam Safety, Berga (editor). Balkema: Rotterdam, 1998. 11. Peterka A. J. The effect of entrained air on cavitation pitting // Proceedings, 5th IAHR Congress, Minneapolis, USA. 1953. 12. Amador A. Santez-Juny M., Dolz J. Discussion of “Two-phase flow characteristics of stepped spillways” by R. M. Boos and W. H. Hager // Jour. of Hydr. Engineering. 2005. V. 131, ¹ 5. P. 421 – 423. 13. He Guangtong, Xiankang. The integral RCC dam design characteristics and optimization design of its energy dissipater in Shuidong hydropower station. Roller compacted concrete dam // Proc. of the Int. Symposium, Madrid. 1995. P. 405 – 412. 14. Large Dams in China. A Fifty Year Review. Editors Jiazheng Pan, Jing He // China Water Press, Beijing. 2000. 15. Field observation on the RCC stepped spillways with the flaring pier gate on the Dachaoshan project / Guo J., Liu Z., Liu J. and Lu Y. // Proc. of the XXX IAHR Congress. 2003. Thessalonica, theme D. P. 473 – 478. 16. Chanson H. Drag reduction in skimming flow on stepped spillways by aeration // Journal of Hydraulic Research. V. 42, ¹ 3 (2004). P. 316 – 322. 17. Øâàéíøòåéí À. Ì. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñëèâíûå ïëîòèíû è ãàøåíèå ýíåðãèè // Ãèäðîòåõíè÷åñêîå ñòðîèòåëüñòâî. 1999. ¹ 5. 18. Chanson H. Hydraulic of skimming flow: The effects of inflow condition // Journal of Hydraulic Research. V. 44. ¹ 1 (2006). P. 51 – 60. 19. Boes R., Minor H.-E. Hydraulic design of stepped spillways for RCC dams // Hydropower & Dams. Issue Three. 2002. P. 87 – 91. 9
