Исследование эффекта гашения энергии волн на водохранилищах плавучими волногасителями различных конструкций

ветровых волн на плавучие волногасители и определить эффективность диссипации ими энергии волн.

Материалы и методы исследований. Материалами для исследования послужили данные о фактической и прогнозной переработке берегов на водохранилищах ГЭС Сибири и разработанные на кафедре использования водных ресурсов СибГТУ конструкции плавучих волногасителей из некондиционной древесины.

Производилось теоретическое определение зависимости величины гашения волны от параметров волногасителя и воспринимаемого динамического воздействия, экспериментальное (лабораторное) исследование на моделях эффективности работы плавучих волногасителей различных конструкций для условий водохранилищ.

Результаты исследований. Водохранилища ГЭС характеризуются индивидуальным набором показателей (природно-климатических, инженерно-геологических, морфометрических и т. д.), что обуславливает различные масштабы проявления и развития на их берегах абразионноэрозионных процессов (табл. 1).

Характеристика водохранилищ ГЭС на Енисее и Ангаре

Таблица 1

Показатель	Водохранилище (год первого заполнения до нормального подпорного уровня)
	cd CD CD О О CD 3 3 6 X си О	со CD CD О О	CD CD CD О О СК о о си ^	CD ID CD * CD О О	со CD CD О О 1— си L0	CD CD О О С 1— о	LO CD CD о си О L0
Площадь зеркала водохранилища, км2	621	11	2000	154	5470	1922	2326
Полный объем водохранилища, км3	31,3	0,1	73,3	2,1	169,3	59,4	58,2
Величина сработки уровня, м	40	5	20	1	10	2	1
Протяженность водохранилища, км	312	22	380	55	570	302	375
Общая длина береговой линии, км	1364	47	1560	275	6036	2384	2430
Доля абразионно-размываемых берегов, %	9	98	71	38	41	26	32

* Только ангарская часть водохранилища (без учета подпора оз. Байкал).

На процесс переформирования берегов водохранилищ оказывают влияние гидрологические факторы (ветровое волнение, вдольбереговые течения, колебания уровня, ледовые явления и физико-химические свойства воды), инженерно-геологическое строение берегов (состав и прочность слагающих грунтов), морфология водохранилища, а также характер и плотность растительности на берегах. В сужениях, как правило, разрушение берегов незначительно в сравнении с участками расширений. Интенсивность берегопереработки при наполнении и эксплуатации водохранилища также различна. При этом даже в период эксплуатации водохранилища этот процесс является дискретным (сначала происходит его интенсификация, а затем постепенное затухание вплоть до полной стабилизации берегового профиля и положения кромки берега). Основной причиной абразии берегов водохранилищ являются ветровые волны. Ветроволновой режим, обуславливаемый географическим расположением, ветровым режимом и морфологией акватории, как для различных водохранилищ, так и для отдельных их участков характеризуется значительным разнообразием [1].

Рассмотрим данный вопрос на примере Богучанского водохранилища, заполнившегося до отметки нормального подпорного уровня в июне 2015 года.

Богучанское водохранилище (четвертое в Ангарском каскаде), протяженностью по средней линии 375 км, площадью зеркала 2326 км2, максимальной шириной 15 км и глубиной до 75 м, располагается в нижнем течении реки Ангара. Протяженность береговой линии – 2430 км, из которых 1388 км – берега заливов. В районе водохранилища долина Ангары имеет сложное геологическое строение, и по морфологическим условиям акватория подразделяется на пять районов (три сужения и два расширения) (рис. 1). Сложная конфигурация водохранилища определяет большое разнообразие параметров ветрового волнения. Высота волны, в зависимости от скорости ветра, продолжительности и направления (длины разгона), будет достигать 1,1–4,0 м [3].

Рис. 1. Морфологические районы Богучанского водохранилища:

I – приплотинный; II – Тургеневское расширение; III – Кутарейское сужение;

IV – Кежемское расширение; V – Невонское сужение

В соответствии с прогнозом формирования берегов, выполненным в работе [3], абразионные берега имеют протяженность 766 км (табл. 2). Таким образом, суммарная потеря земель за счет размыва берегов Богучанского водохранилища за 10 лет может составить 48,1 км2, что свидетельствует о необходимости проведения берегозащитных мероприятий.

Морфометрическая характеристика ложа Богучанского водохранилища

Таблица 2

Район	Длина, км	Средняя ширина, км	Длина береговой линии, км	Энергия волнения, тыс. тм	Протяженность абразионных берегов, км	Средняя величина отступления берега, м
						за 10 лет	за 100 лет
I	117	5,7	1043	289	287	59	110
II	28	10,9	161	492	73	67	122
III	31	2,6	208	226	39	31	93
IV	163	5,5	933	307	355	70	134
V	36	1,3	85	47	12	19	77
Итого	375	–	2430	–	766	–	–

Не вдаваясь подробно в вопросы теории волн и их динамического воздействия на объекты, достаточно полно рассмотренные в работе [4], отметим, что более 90 % волновой энергии сосредоточено в верхних слоях.

Стационарные волноломы и берегоукрепительные сооружения полностью воспринимают энергию волны и защищают берег от размыва, но сами в процессе работы разрушаются и требуют ремонта, а также являются дорогостоящими в строительстве и обслуживании. К тому же, учитывая величину колебания уровней воды на водохранилищах (см. табл. 1), значительно увеличивается зона берегозащиты.

При этом для достижения эффекта защиты берега достаточно снизить энергию волн до неразмывающих значений для данного вида грунта (значения норм размыва для различных отложений приведены в работе [3]), чего можно достичь применением различных плавучих волногасителей (диссипаторов): жестких, эластичных, пористых и др. Также необходимо учитывать положительную роль растительности на берегах (включая полузатопленные деревья) и постепенное гашение волны на естественных мелководьях.

Набегающие на плавучие сооружения волны частично отражаются, поглощаются и частично проходят под преградой и обтекают ее. Величину гашения волны можно оценить коэффициентом β = h ост / h , значение которого находится в диапазоне от 0 до 1 (при β = 0 наблюдается полное гашение волны, а при β ≈ 1 – гашение волны не происходит) (рис. 2) [5].

Рис. 2. Расчетная схема: H – глубина воды; z и T – высота и осадка плавучего объекта (волногасителя); h и h ост – высота волны до и после волногасителя;

% - ордината точек профиля волны; L - длина волногасителя

Несомненно, чем больше коэффициент гашения, тем большую энергию (нагрузку) воспринимает плавучий волногаситель, и ее необходимо знать для проведения прочностного расчета конструкций волногасителей и якорных устройств.

При проектировании в строительстве силы воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения могут быть определены по методике, изложенной в СНиП 2.06.04-82* [6], но для случая плавучих волногасителей расчетные величины значительно превышают экспериментальные [5], что вероятнее всего связано со значительными коэффициентами запаса, жестким (неподвижным) закреплением объектов, а также исключением противодавления от волны за объектом.

В соответствии с математическими зависимостями, полученными в работе [5], величина силового воздействия, воспринимаемая волногасителем, определится как разность сил волнового давления на носовую F 1 и кормовую F 2 поверхности (Δ F = F 1 – F 2 ), которые для случая h ≤ z могут быть определены по формулам

(

F = p gB % t + %

V 2

—

sh[ — k ( H — T — % ) ] — sh[ — k ( H — T )] '

k • ch( kH )

;

F = p gB % , T + % — V ²

sh[ — k ( H — T —% , ) ] - sh[ — k ( H — T )] 'I

k • ch( kH )

где   p - плотность воды;

g – ускорение свободного падения;

B – ширина волногасителя;

ξ – высота волны у передней грани волногасителя ( ξ = h /2 + Δ h , где h – высота подходящей волны,

Δ h – высота отраженной от передней грани волны (изменение высоты волны у передней грани тела за счет ее частичного отражения незначительно и для практических расчетов ею можно пренебречь [4]));

ξ 1 – высота волны у задней грани волногасителя ( ξ 1 = 0,5 h ост cos στ – уравнение профиля волны за телом, h ост – высота волны за телом после ее гашения, σ = 2 π/τ – угловая скорость, τ – период волны);

T – осадка волногасителя;

H – глубина воды;

k – волновое число ( k = 2π/λ , где λ – длина волны).

При h > z носовая часть волногасителя будет полностью погружаться в воду, и поэтому необходимо учитывать дополнительную вертикальную нагрузку.

Результаты исследования работы жестких волногасителей (жестко закрепленных и свободно заякоренных, гладких и с шероховатостями, различных габаритов) [7] показывают на их большую эффективность в гашении волн. Для жестко зафиксированного волногасителя с шероховатостями нужна меньшая длина, по сравнению с заякоренным или без шероховатостей (чтобы погасить волну в два раза ( β = 0,5), необходим: жестко зафиксированный волногаситель с элементами шероховатости длиной L = 0,87 λ и без шероховатостей – L = 1,30 λ , заякоренный с шероховатостями – L = 1,54λ и без шероховатостей – L = 2,33 λ ; при увеличении длины волногасителя эффект гашения возрастает; увеличение высоты и расстояния между шероховатостями позволяет снизить длину волногасителя). Однако жесткие волногасители представляют собой громоздкие массивы, применение которых будет сопряжено с определенными трудностями.

В связи с этим, на кафедре использования водных ресурсов СибГТУ были разработаны оптимальные для условий водохранилищ конструкции волногасителей [8–10], создаваемые из плавающей на их акватории древесины с помощью устройства [11]. Значения силы давления волны на волногаситель определялись в зависимости от коэффициента гашения волны при различных параметрах воздействующих на него волн. В качестве исходных данных, характеризующих волногаситель (осадка T и ширина В ), были взяты параметры используемых в Ангаро-Енисейском бассейне лесосплавных пучков. Значения высоты и длины волны, а также глубин приняты для условий Богучанского водохранилища в соответствии с источником [3]. Коэффициент гашения, обеспечиваемый заякоренными волногасителями цилиндрического типа, достигает β = 0,6, а волногасителей ящичного типа – β = 0,5, что свидетельствует о их большей эффективности [5].

Жесткое закрепление волногасителя позволяет увеличить эффективность диссипации энергии волн до 50 % [7], но такое крепление в условиях водохранилищ из-за высокой амплитуды колебания уровней воды требует постоянного отслеживания и регулировки высоты установки.

Выводы. Применение на водохранилищах плавучих волногасителей для защиты берега от размыва, учитывая масштабы, транспортную доступность, наличие трудовых ресурсов и строительных материалов, наиболее выгодно (менее трудоемко, технологически просто и экономически целесообразно). На водохранилищах ГЭС Сибири могут быть использованы разработанные на кафедре использования водных ресурсов СибГТУ плавучие волногасители [8–10], что позволит не только снизить величину размыва берегов, но и очистить акваторию от плавающей древесной массы.

После заполнения водохранилища необходимо проводить исследования и устанавливать достоверность (оправдываемость) составленных прогнозов, так как от этого, в конечном итоге, будет зависеть эффективность и степень исполнения защитных мероприятий, запроектированных на прогнозных данных.