Раздел 4 эксплуатация водопропускных сооружений и механического оборудования

4.1 Ледовые образования. Борьба с заторами и зажорами

С появлением отрицательных температур воздуха в реке могут возникать ледовые образования: шуга, донный лед, забереги, ледостав и их разновидности. Их характер зависит от температуры воздуха, воды, ее скорости, глубин потока, конфигурации ложа русла и продуктов отложений на ее поверхности. Шуга — это частицы льда, образованные в толще потока при охлаждении воды до температуры - 0,02...-0,05°С, а иногда до - 0,1 °С. Частицы шуги могут быть представлены в виде игл, зерен чечевицы или горошин, пластин, комьев и т. п. Донный лед - это также внутриводный лед, появляющийся на дне водотока, чаще покрытого камнями, валунами и т. п. Забереги — неподвижный лед, расположенный у берегов и скрепленный с ними. Ледостав — установление и существование на водоемах и водотоках

неподвижного ледяного состава.

В условиях Средней Азии зимой при скоростях потока 0,5..0,6 м/с образуется тонкий сплошной ледяной покров, а при больших скоростях — только забереги. В центральных районах страны ледяной покров возникает при скоростях менее 0,8..1 м/с, а в северных - при скоростях ниже 1... 1,5 м/с.

Перечисленные выше ледовые явления создают заторы или зажоры льда. Заторы — скопление и нагромождение льда в русле, дополнительно стесняющие живое сечение и, как правило, приводящие к повышению уровней воды в месте скопления. Подплывающие льдины увлекаются потоком под остановившиеся, либо выталкиваются на них, образуя торосы. Зажор — скопление шуги и других образований внутриводного льда в русле

реки, также стесняющее живое сечение потока и приводящее к подпору, снижению пропускной способности русла или отверстия водопропускного сооружения. Зажоры имеют обычно существенно большую длину по

сравнению с заторами. Они возникают в результате остановки плывущих шуговых ковров и их смерзания. Остановка ковром обусловливается механической задержкой (крутые повороты русла, острова, мосты т. п.), либо значительным уменьшением скоростей потока (при снижении уклонов реки, на входе в водохранилище и т. д.). Внутриводный лед перемещается и

под формирующийся зажор, который может перекрывать площадь живого сечения потока до 70...85%. Таким образом в его зоне появляется дополнительный подпор. С гидравлической точки зрения затор — это местное гидравлическое сопротивление (внезапное сужение) с местным перепадом уровней, а зажор - участок водовода с повышенным сопротивлением и потерей напора по длине. Зачастую заторо- и зажорообразование оказывают взаимное влияние. Зажоры образуются чаще осенью в период ледостава и реже весной. Заторы возникают, как правило, весной, в период ледохода. Сформировавшиеся заторы и зажоры могут значительно повысить уровни воды, что в определенных условиях обусловливает появление наводнений, переливов воды через гребень ограждающих дамб, а также оказывать значительные статические и динамические воздействия на элементы гидротехнических сооружений. Примером сложившейся тяжелой ситуации может служить случай подпора льда на Ниагарском гидроузле (Канада) на высоту до 20 м, когда лед проник через оконные проемы в машинный зал здания ГЭС и заполнил его до высоты подкрановых путей. На Западной Двине выше выклинивания кривой подпора Кегумской ГЭС в зоне расположения порогов имело место образование мощных ледяных и шуговых заторов с нагромождением льда свыше 10 м над уровнем воды. Известно также, что и результате обмерзания решеток водопропускных отверстий пропускная способность их снижается до 50...60%, а в некоторых случаях они могут перекрыться почти полностью. Степень засоренности отверстий повышается в период образования снежуры (плавающего снега), возникающей при интенсивном выпадении снега в условиях отрицательных температур и появления шуги.

Имеются различные эксплуатационные мероприятия, позволяющие

влиять на появление шуги и льда и способствующие движению потока без возникновения заторов и зажоров. Для того, чтобы правильно наметить технические мероприятия по борьбе с заторами и зажорами, делают следующее. Во-первых, заблаговременно внимательно определяют и изучают возможные места их образования. Характерные места заторов — участки

реки, на которых меняется от большего к меньшему уклон и снижаются скорости потока, шуги и льда. Заторы возникают также в естественных руслах, представленных узкими горловинами. Во-вторых, проводят мероприятия по борьбе с образованием заторов и зажоров. В-третьих, для борьбы с уже образовавшимися заторами и зажорами применяют технические средства, в зависимости от конкретных условий в отдельности или вместе в различном сочетании. Так, создание каскада гидротехнических сооружений практически полностью ликвидирует заторо- и зажорообразование. На отдельных гидроузлах заторы и зажоры смещаются в зону кривой подпора водохранилища. На небольших гидроузлах, чтобы предупредить образование заторов, в районе кривой подпора с помощью ледоколов создают вдоль водохранилища канал, свободный ото льда, по которому поступающий с вышележащего пункта лед транспортируется к водосбросной плотине и сбрасывается в нижний бьеф. Совместное сочетание работы ледокола с надлежащим маневрированием затворами водосбросной плотины позволяет достичь хороших результатов. Такие операции проводят

3...4 раза в сутки. На крупных гидроузлах иногда оправдано устройство

значительных акваторий, способных принять лед, поступающий с вышележащих участков реки. Чтобы обеспечить более благоприятный транспорт льда на реках, проводят русловыправительные работы. При проектировании трассы для транспорта льда и шуги создают прямолинейные

или плавно изгибающиеся участки. На поворотах водотока устраивают уширения, позволяющие транспортировать лед без заторов. При необходимости делают сооружения для задержания льда (кусты свай, полуза-

пруды и т. п.). На Дубоссарском водохранилище в зоне кривой подпора заторообразование предотвращают путем устройств полузапруд (рис. 1 )

Р исунок 1 – Расположение полузапруд на Дубоссарском водохранилище для борьбы с заторообразованием:

1. меженный уровень; 2 - максимальный ypовень при заторе; 3 - полузапруды.

При выполнении русловыправительных работ стремятся к образованию однорукавного русла. Если русло имеет два рукава, то очертание разделительного острова должно быть остроугольным скругленным.

Возникновения заторов предупреждает также регулирование стока льда путем воздействия на процесс вскрытия реки: ослабление и разрушение льда или, наоборот, усиление ледяного покрова. Таким путем варьируют время возникновения ледохода на различных участках. Ослабление льда проводят на участках возможного образования заторов. При малых глубинах для ослабления льда применяют ледорезные машины производительностью до 300 м/ч при толщине льда 1 м и ширине прорези 0,25 м. Имеются предложения использовать ледокольные гидропушки, служащие для устранения уже образовавшихся заторов. Институт географии АН СССР предложил ледовый струг с высокой производительностью (2...4 км борозды при толщине льда 1 м). Для вскрытия реки или оперативной ликвидации затором широко используют способ бомбометания с воздушно-технических средств. Взрывы ведутся против течения сериями, для того, чтобы оторвавшиеся льдины могли перемещаться вниз по течению. Массу (кг) заряда определяют по следующей формуле:

Q = kw³, (1)

где k — удельный расход взрывчатых веществ (0,3…1,5 кг/м³) , зависит oт условного диаметра майны, степени дробления льда и его разброса;

w – расчетная линия сопротивления, ориентировочно принимаемая равной глубине погружения снаряда в воду, м.

Имеются предложения ослаблять лед путем воздействия на него модификаторами (веществами, которые при соединении со льдом или водой изменяют их свойства). Ослабление льда достигается также путем опыления его зачерняющим материалом (уголь, сажа и др.). В этом случае отражательная способность, льда или снега снижается до 10...15% по сравнению со свежевыпавшим снегом, когда степень отражения солнечной радиа­ции достигает 90%. Наиболее эффективен порошок черного цвета, имеющий диаметр частиц 0,2...0,5 мм. Крупные частицы раз­мером 0,5...1 мм остаются на поверхности льда и не обладают проникающей способностью. Нормы расхода (г/м²) зачерняющих материалов могут быть определены по следующей зависимости:

n = γd, (2)

γ — средняя плотность зачерняющего материала, γ = (1..1,4)10⁶ г/м³;

d – диаметр частиц зачерняющего материала, м.

Практически на 1 га площади требуется 0,5...5 т зачерняющего материала.

Для уменьшения толщины льда применяют теплоизоляцию из снега, пенольда и т. п.

В местах, где требуется замедлить время вскрытия реки, проводят искусственное усиление ледяного покрова. Для этой цели с его поверхности зимой удаляют снег и намораживают лед. При необходимости его усиливают заанкериванием в берега путем вмораживания тросов, бревен, свай и т. п.

Различают следующие методы борьбы с зажорами: гидравлические, термические и механические. Гидравлические предусматривают создание таких скоростей потока, при которых шуга не образуется (≤0,4...0,5 м/с). Такие методы осуществляют путем устройства водоподпорных сооружений, выправительных работ, создания поперечной циркуляции и т. п. Термические возможны при внесении в поток дополнительного тепла, например путем подачи более теплой воды из вышерасположенного водохранилища, создавая определенный режим эксплуатации гидроузла Гидравлические и термические методы взаимосвязаны. Механические методы борьбы с зажорами и заторами имеют аналогичный характер. В нижнем бьефе следят за тем, чтобы шуга уходила дальше от гидроузла, в противном случае ее перемещают механическим путем с применением плавсредств реже взрывным способом.

4.2 Пропуск льда, шуги и других плавающих тел через водопропускные отверстия и суженные русла

Ледоход образуется при скоростях движения потока более 0,4…0,5 м/с. Ему способствуют сильные продолжительные ветры, направленные в сторону плотины. Для сброса льда из верхнего в нижний бьеф гидроузла используют водосливные отверстия плотины, донные отверстия, береговые и другие водосбросы. Hа подходе к сооружению русло и отводящий канал должны иметь прямой участок на значительной длине без островов, мостовых переходов и других сооружений, препятствующих движению льда. Лед сбрасывают через отверстия, расположенные в пределах стержня реки или у вогнутого берега при изгибе русла, так как скорость потока в этом месте повышенная, что способствует смещению льда в эту зону. Отверстия по возможности выбирают одинаковых размеров, чтобы избежать заторов перед отверстиями с меньшей пропускной способностью. Поверхностный режим сопряжения бьефом позволяет более благоприятно пропускать лед, без повреждении крепления русла, гасителей энергии и крепления концевого участка. Нельзя маневрировать затворами отверстий в период пропуска льда. В противном случае необходимо проводить мероприятия, исключающие аварию затворов (усиление их прочности с учетом ледовой нагрузки, уменьшение скорости, размеров и прочности льдин, подходящих к пролетам). Сооружения, расположенные в зоне пропуска льда, обычно возвышаются над уровнем воды на 3…5 м во избежание нагромождения льда и образования затора. В период эксплуатации гидроузла стремятся возможно дольше задержать лед в водохранилище, чтобы его ослабить при повышении температуры.

Во время возведения гидроузлов можно пропускать лед через суженное русло. Его ширину принимают не менее 30% ширины реки, занятой пропуском льда в бытовых условиях, с учетом ледового режима реки и опыта пропуска льда в аналогичных условиях. Глубина потока для пропуска льда в месте сужения должна быть 5…6 м. Высоту перемычек, ограждающих недостроенные сооружения, принимают с учетом повышения уровней при прорыве заторов на вышерасположенных участках. Особое внимание обращают на закрепление верхнего, по течению, оголовка перемычки. Верховая перемычка должна быть устойчива при динамическом и статическом воздействии от навала льда, высота которого на реках с тяжелыми ледовыми условиями может достигать 10…15 м. Ряжевые перемычки, расположенные в зоне ледохода со стороны реки, защищают отсыпкой горной массы с шириной по верху нe менее 10 м. Для рек с тяжелыми ледовыми условиями крупность камня принимают порядка 0,3… 1 м.

Пропуск льда через открытые отверстия или гребенки бетон­ных плотин зависит от ширины отдельных отверстий, общей ши­рины ледосбросного фронта, формы оголовков быков, макси­мального выдвижения разделительных быков в сторону верхнего бьефа, глубины воды, средств защиты элементов сооружения от разрушения их льдинами. При уклонах свободной поверх­ности на входе в суженное русло свыше 0,007 льдины разме­рами вдоль потока 50 м и более разрушаются на отдельные полосы размером (м) не более

a_z = ,

где t_i — толщина льда, м;

R_d — временное сопротивление льда на изгиб, ориентировочно равное 0,45 Мпа.

Ширина открытого отверстия b₀, используемого для сброса льда, в этом случае должна быть не менее 0,75 a_z. Тогда отверстие способно пропускать льдины при их скоростях подхода к пролетам =2,5…6 м/с и средних размерах (l…l,5) a_z. В усло­виях отсутствия перепадов и наличия кривой спада водной по­верхности

при =1,5…2,5 м/с b₀≥ (1,1 … 1,2)а

при =0,7…1,5 м/с b₀≥1.5a

при =0,3…0,7 м/с b₀≥ (1,9…2,0)a

При скоростях движения воды менее 0,3…0,35 м/с лед не сбрасывают, а оставляют в водохранилище, где он тает. Если отверстия не соответствуют приведенным выше условиям, лед необходимо подвергать дроблению.

Не рекомендуется пропускать лед через отверстия с быками, ширина которых равна или больше 0,6 ширины водопропускного отверстия, так как в этом случае возможны заторы перед быками. Благоприятный пропуск льда наблюдается через водосбросные отверстия, быки которых выдвинуты в сторону верхне­ю бьефа не более чем на 1,5 Н, где Н — напор на гребне. Глу­бина потока в ледосбросных отверстиях с низким порогом составляет 4…5 м. На водосбросных плотинах для сброса льда не используют отверстия шириной более 10…12 м.

При пропуске льда через сооружения с донными глубинными отверстиями рассчитывают их предельное затопление Н_к из условия недопущения подныривания льда и соблюдения сроков задержки льда перед сооружениями. Для низконапорных бетонных плотин высотой 5… 15 м, работающих без образования вихревых воронок на входе используют приближенные зависимости:

для одиночных отверстий:

для спаренных отверстий:

(5)

где — высота донного отверстия.

При образовании перед отверстиями интенсивных вихревых воронок степень затопления отверстия увеличивают примерно в 1,5 раза. На реках с тяжелыми ледовыми условиями при про­пуске льда затопление донных отверстий не должно превышать высоты самого отверстия. По условиям прочности бетонных плотин ширина донных отверстий, используемых для пропуска льда, не должна превышать 50% расстояния между сквозными температурно-осадочными швами для плотин высотой более 70 м и 60% —для плотин до 70 м. Чтобы снизить прочность льда, желательно ледоход задержать на 5…7 суток со дня вскры­тия реки в нижнем бьефе. Для этого делают запони или используют аккумулирующие емкости.

Скорость (м/с) потока, при которой можно обеспе^чить под­вижку льда в реке, ориентировочно определяют для прямолинейного очертания берегов перед водосбросом на участке длиной порядка 15 В по зависимости:

v_m (4.6)

где t_i — толщина льда, м; R_d — временное сопротивление льда на изгиб, ≈0,45 Мпа; В — ширина русла, м.

При наличии поворотов перед гидроузлом среднюю предельную скорость v_m увеличивают примерно на 30%.

Для задержания льда, шуги, мусора в водохранилище зачастую на гидроузлах используют плавучие запони. Критическую скорость потока v_cr, при которой лед начинает подныривать под запонь, рекомендуется рассчитывать по зависимости:

где g — ускорение свободного падения; l — длина льдины.

Запони, служащие для сброса шуги или плавающего мусори (травы, кустарника, древесины, всплывшего торфяника и т.п. ) располагают под углом к сооружению, прикрепив одним концом к берегу, а другим — к быку отверстия, снабженного устройством для сброса мусора в нижний бьеф (козырьком, клапаном, опускающимся затвором). Их устанавливают в местах с пониженными скоростями. При скоростях потока более 0,25…0,3 м/с запонь, как правило, снабжают козырьком. Если задержанные запонью плавающие предметы не сбрасываются через специальное отверстие или мусоропровод, то их периодически извлекают с помощью багров или других приспособлений. При образовании вихревых воронок у отверстий, пропускающих воду в нижний бьеф, мелкий мусор перемещают к воронкам для удаления его гидравлическим способом. В случае, если сброс воды в нижний бьеф ограничен, мусор сбрасывают периодически, по мере его накопления путем кратковременного открытия отвер­стий, предназначенных для этой цели. Крупные плавающие тела (бревна, коряги, деревья и т. п.) могут забивать отверстия или причинять механические повреждения элементам сооружений. Их лучше извлекать и пропускать через отверстия при пол­ностью открытом затворе, увязывая со схемой маневрирования затворами. Для сброса мусора обычно используют отверстия с поверхностным сливом в целях экономии воды. В условиях каскада водоподпорных сооружений мусор и другие плавающие тела рекомендуется не сбрасывать, а вылавливать механическими средствами.