Особые гидродинамические эффекты, возникающие при попусках через гидроузлы

В последние годы авторами были проведены исследования длинноволновых движений в районе Жигулевской ГЭС. Некоторые результаты этих исследований приводятся ниже.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С РЕЖИМОМ ВЫРАБОТКИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Для района Жигулевской ГЭС в верхнем бьефе на фоне изменений уровня воды, согласующихся с режимом выработки электроэнергии, проявляются сложные колебания уровня в 10-20 см с периодами ~ 60 мин. и колебания уровня ~0,5 м и периодами ~15-20 мин. (рис. 1), более выраженные непосредственно у ГЭС. В нижнем бьефе преобладают колебания уровня от 5-10 до 30 см с периодом ~10-15 мин. (рис. 2).

Дополняет картину прохождение одиночных длинных волн с амплитудами до 50 см в моменты включения и выключения гидроагрегатов ГЭС (обычно отмечаемое два раза в сутки утром и вечером).

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРОПУСКОМ ПОЛОВОДЬЯ

ЧЕРЕЗ ВОДОСЛИВНУЮ ПЛОТИНУ ЖИГУЛЕВСКОЙ ГЭС

Попуски через водосливную плотину сопровождаются сложным полимодальным волновым процессом в водной среде, имеющим наибольшую интенсивность и изменчивость в непосредственной близости к водосливной плотине и затухающим на расстоянии приблизительно 8 км от нее.

Изменения уровня с периодами, лежащими в минутном диапазоне (наиболее ярко выражены периоды 6-7 и 12-15 мин.) достигают ~ 1-1,2 м. Во время подъема уровня (прохождения гребня волны) происходит усиление стокового течения до скоростей более 2 м/с. Проявляются также изменения с периодами 1-2 мин. и амплитудами в 15-20 см.

Рис. 1. Уровень воды. Пост Тольятти. ВБ. Левый берег

Рис. 2. Уровень воды. НБ. ОАО “Жигулевская ГЭС”. Правый берег

На фоне колебаний уровня возникает интенсивное волнение (рис. 3). Визуально оно схоже с ветровым (периоды составляют несколько секунд, амплитуды до 1-1,2 м). Это волнение имеет сложную структуру – одновременно наблюдаются волны с периодами 3-5 и 10-12 с, визуально воспринимаемые как малые и большие, волны с периодами менее 1 с и амплитудами 510 см, схожие с “рябью”. Волны образуют единый фронт, разворачивающийся на подходе к берегу.

Таким образом, во время попусков через водосливную плотину на участке берега, который по проектным расчетам находится в зоне установившегося потока, и потому не укреплен, наблюдается целый комплекс разномасштабных волновых процессов. Они проявляются в виде колебаний уровня с различными – от нескольких секунд до десятков минут – периодами и амплитудами от первых десятков сантиметров до нескольких дециметров.

Исходя из интенсивности гидродинамических процессов, связанных с попусками, можно разделить область влияния водосливной плотины (табл. 1):

Границы зон обусловлены особенностями русла канала водосливной плотины. Первая зона соответствует границе сооружений водосливной плотины, включая яму размыва. Вторая зона обусловлена очертаниями левого берега и окончанием канала водосливной плотины. Третья зона соответствует единому руслу Волги. Четвертая зона начинается у разделения Волги на два рукава.

Таким образом, процесс диссипации энергии падающей воды, проходящей через гидроагрегаты, и особенно через водосливную плотину (поверхностный водосброс), сопровождается сложными полимодальными волновыми явлениями различной амплитуды и частоты (ИГ-волны), которые прослеживаются в радиусе не менее 7 км от гидроузла.

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ РАЗВИТИЯ РУСЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В СВЯЗИ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ ЭФФЕКТАМИ, СОПРОВОЖДАЮЩИМИ ПОПУСКИ.

Данные о характерных высотах и периодах волн, глубинах русловой и прибрежной части, позволяют определить количественные характеристики динамического воздействия, в первую очередь, скорости возникающих течений.

Для волн с периодами ≥ 5 минут значения

Рис. 3. Волнение в нижнем бьефе Жигулевского гидроузла, возникающее при попусках через водосливную плотину

Таблица 1. Зоны интенсивного влияния водосливной плотины Жигулевской ГЭС

Расстояние от ВСП Перепады уровня (максим.) Высота волн, схожих с ветровыми Дополнительные явления менее 1 км >0,7м >1м Водовороты, обрушение волн. 1-3 км 0,7м 0,7м Фронт волнения разворачивается веером при выходе на мелководье. Обр ушение волн. 3-7 км 0,2-0,3 0,2-0,3 Единый фронт волнения постепенно исчезает. более 8 км - отсутствует - максимальной придонной скорости течения можно оценить [Айбулатов Н.А.] с помощью соотношения:

, где , и - высота, длина и период волны, соответственно.

Для волн с периодами несколько часов критические донные скорости не превышают 1 см/с во всем возможном диапазоне изменения уровня воды, транспортирующая способность потока лежит в районе 0,01-0,02 см (при характерном размере части грунта 0,05 см).

Для волн с периодами 5-30 мин. и амплитудами до 0,5 м в межень и до 1 м в половодье могут возникать существенные придонные скорости при выходе волн на левобережное мелководье как выше, так и ниже ГЭС – более 5 см/с, в заливе 7,512,5 см/с. Волны с периодом ~1,5 минут и изменениями уровня 0,15 - 0,3 м также могут создавать существенные придонные скорости 3,7-7,5 см/с.

Таким образом, при попусках через гидроагрегаты ГЭС в результате возникновения ИГ-волн в мелководной части могут возникать значительные придонные скорости, превышающих критические размывающие для свойственного данной территории типа грунтов.

Если возможность такого явления в нижнем бьефе гидроузла ранее показана экспериментально на примере Рыбинска [1, 3], то для верхнего бьефа подобное явление показано впервые на примере Жигулевской ГЭС [5]. При сбросах воды через водосливную плотину на левобережном мелководье возникают ИГ-волны с периодами 7-25 мин. приводят к возникновению придонных скоростей более 10 см/с вблизи плотины.

Авторами была сделана попытка оценить гидродинамические эффекты, производимые волнами, схожими с ветровыми. Для этого были использованы методы расчета, разработанные для ветровых волн. В случае, когда волны при выходе на мелководье набегают на откос, использовалось соотношение [Б.А. Пышкин] :

Vnax = neh, П = 0,3(1 + °,4) , n          P где n – коэффициент шероховатости ~0,75,

Н

в = 2n—X ’

Для высот волн h=0.75м при подходе к откосу, практически во всем диапазоне разброса характеристик волнения (X= 1...6 м) и изменения глубин (Н=1...6 м) максимальные придонные скорости многократно превышают критическую, достигая при Н=6 м на пике половодья значения 1 м/с – критического для частиц крупностью > 10 см.

При взаимодействии волны с отвесным берегом, для расчета максимальной донной скорости использовалось соотношение [Б.А. Пышкин]:

^V д . max

0,75 π h

πλ H sh 4 π

4 g     λ

где h – высота волны, Н – глубина, l – длина волны, Н>H_кр – глубина, при которой волна разрушается.

Расчеты для высоты волны 0,75 м, типичных значений длины волны 3-5 м и глубине 1-3 м дают максимальные значения придонных скоростей ~ 1 м/с.

ВЫВОДЫ

Таким образом, несмотря на то, что достаточно сложно соотнести деформации берегов с действием конкретного фактора, уже сейчас можно сказать, что протяженность берегоукреплений в районе гидроузлов, рассчитанных без учета длинноволновой составляющей переноса энергии попусков, будет недостаточна. Планирование мероприятий по дальнейшему укреплению берегов должно проводиться с учетом гидродинамических эффектов, связанных с этой составляющей.