книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

и уменьшаются в процессе эксплуатации турбины из-за истирания лопаток рабочего колеса турбины наносами.

Расход воды через турбины малых и крупных ГЭС может быть определен с помощью р а с х о д о м е р о в , учитывающих расход воды по разности давлений в двух точках спиральной камеры турбины. При движении потока в спиральной камере отдельные частицы воды в одном и том же сечении обладают различной центробежной силой, что создает разность давлений в сечениях спиральной камеры.

Зависимость между расходом воды и разностью давлений

где k — коэффициент расходомера; Д/г — разность давлений в двух

точках спиральной камеры турбины в миллиметрах водяного столба.

б)

Рис. 112. Основные гидравлические типы отверстий.

Для измерения давления в стенке спиральной камеры сверлят отверстия диаметром 5— 10 мм и по трубкам выводят воду к прием­ ной части прибора — дифференциальному манометру, регистрирую­ щему разность давлений. К манометру присоединяется счетчикинтегратор, который учитывает суммарный объем воды, прошедшей через турбину за определенный промежуток времени.

Чтобы определить значение среднего за то или иное время рас­ хода воды, со счетчика расходомера снимаются показания через равные промежутки времени: сутки, смену, 'два часа и т. д. Раз­ ность показаний счетчика, умноженная на постоянную (или коэф­ фициент) расходомера /г, полученную в результате его тарировки, дает сток W в кубических метрах за данный промежуток времени:

соседними отсчетами, получим средний расход воды за данный промежуток времени.

220

Определение расходов воды через водопропускные отверстия плотин. Расходы воды через водопропускные отверстия плотин определяются по расчетным зависимостям, полученным преимуще­ ственно на основании гидравлических формул.

Водопропускные отверстия плотин в гидравлическом отношении могут работать как водосливы или как отверстия в тонкой стенке. Истечение через водослив характеризуется тем, что вода перелива­ ется через вырез в его стенке при свободном доступе воздуха

а )

Рис. 113. Основные типы водосливов.

а —с тонкой стенкой, б — практического профиля, в — с широким порогом; I — незатоп-

ленные, I I — затопленные.

к струе сверху (рис. 112 а). При истечении через отверстие в стенке

доступ воздуха к струе потока со стороны верхнего бьефа отсут­ ствует. Отверстие в стенке может находиться на любой высоте над дном потока. Отверстия, примыкающие ко дну, называются дон­ ными отверстиями (рис. 112 б).

Водосливы в зависимости от конструктивных особенностей и различий в водном режиме делятся на разные типы.

221

По условию влияния нижнего бьефа на характер истечения раз­ личают водосливы затопленные и незатопленные. Водослив явля­ ется затопленным, когда уровень нижнего бьефа оказывает влияние на величину расхода воды, протекающей через этот водослив.

Отверстия в теле плотины в зависимости от конструктивных

Основные гидравлические формулы для водопропускных отвер­ стий следующие:

где т — коэффициент расхода; Ьс — ширина отверстия с учетом

бокового сжатия струи; Я — напор над ребром водослива без учета

Рис. 114. Истечения через отверстия.

а — истечение через отверстие в тонкой стенке, б — истечение через донное отверстие 1-го рода, в — истечение через донное отверстие 2-го рода.

где On — коэффициент затопления.

При скорости подхода воды v к водосливу более 0,5 м/с к гео­

метрическому напору следует прибавлять скоростной напор

1/2

АЯ= £ .

Для учета бокового сжатия струи используется упрощенная

222

где ц — коэффициент расхода, учитывающий также н сжатие струи; b — ширина отверстия; h — высота отверстия; Яц — напор над центром отверстия с учетом скорости подхода;

4) для донных отверстий 2-го рода с влиянием дна на форму

равный 1,1; е0 — коэффициент вертикального сжатия струи; b — ширина отверстия; 1гщ— высота подъема щита над порогом отвер­ стия; Н — высота уровня воды в верхнем бьефе над порогом отвер­

стия.

Использование приведенных формул для вычисления расхода воды с достаточной точностью возможно лишь при условии, что водосливные отверстия соответствуют стандартам, для которых значения коэффициентов расхода приведены в гидравлических справочниках. Чтобы учесть все местные особенности истечения (условия подхода и сжатия струи, шероховатость поверхностей и т. д.), необходимо в каждом конкретном случае уточнить значе­ ние коэффициента расхода.

На малых ГЭС значения коэффициентов расхода уточняются путем тарирования водопропускных отверстий плотины. Тарирова­ ние заключается в измерении ряда расходов при различной степени открытия водопропускных отверстий и при разных напорах. Опре­ деление расходов следует производить по возможности при устано­ вившемся режиме. Для сокращения времени скорости течения можно измерять с нескольких лодок одновременно.

По значениям уточненных коэффициентов, используя гидравли­ ческие формулы, вычисляются расходы воды, и для практического пользования устанавливаются расчетные зависимости для каждого отверстия в виде графиков и таблиц. При полном открытии щитов расход воды зависит от напора или уровня верхнего бьефа, и график имеет вид, изображенный на рис. 115 а; на одном чертеже могут быть построены суммарные кривые для нескольких щитов. При изменяющейся величине открытия отверстия устанавливается зависимость между расходом, напором и величиной открытия отверстия кщ (рис. 115 б). Если результаты тарирования доста­

точно полно отражают все особенности в работе сооружения, то расчетные зависимости для водопропускных отверстий могут быть составлены без использования гидравлических формул, а лишь по данным непосредственных измерений расходов воды.

223

На крупных ГЭС тарирование водопропускных отверстий пло­ тины— дело очень сложное и не всегда осуществимое. Поэтому при расчетах сбросных расходов значения коэффициентов берут прямо из справочников или уточняют их на основе результатов специальных испытаний пропускной способности водосливных отверстий на модели данного сооружения.

Определение расходов воды на шлюзование. Расход воды на шлюзование рассчитывается по объему воды, израсходованной на

где А — площадь шлюзной камеры; п — число шлюзований за сутки;

Я — среднее наполнение шлюзной камеры за сутки.

Нв.$см ьщ

Рис. 115. Кривые зависимости расхода воды через щитовое отверстие.

Средний суточный расход воды (м3/с) на шлюзование вычисля­ ется делением суточного объема воды, израсходованной на шлюзо­ вание, на количество секунд в сутках:

n = _ J L _ w 86 400 •

Определение расходов воды на фильтрацию и утечки. Эти рас­ ходы слагаются из: а) расходов воды на фильтрацию через грунты под плотиной и зданием ГЭС, а также в обход плотины; б) расхо­ дов воды на утечки через неплотности направляющего аппарата неработающих турбин и затворов водопропускных отверстий пло­

Суммарный расход фильтрации и утечек через неплотности на­ правляющих аппаратов турбин измеряется в отводящем канале ГЭС при неработающих турбинах спустя 30—40 мин после их оста­ новки.

Расход фильтрации и утечек через неплотности затворов водосливных отверстий определяется в нижнем бьефе плотины

224

встворе, расположенном выше или ниже выхода в русло отводя­ щего канала турбины. При расположении створа ниже отводящего канала этот расход равен измеренному расходу за вычетом потерь

врезультате утечек через направляющие аппараты неработающих турбин. К измерению расхода можно приступить через 1,5—2 ч

после закрытия отверстий плотины, т. е. после того, как спадет и установится уровень в нижнем бьефе.

На крупных ГЭС расход фильтрации обычно рассчитывается при составлении технического проекта сооружения, при этом в него часто включают утечки через неплотности затворов водосливных отверстий плотины и направляющих аппаратов неработающих турбин.

Непосредственное измерение фильтрационного расхода может быть произведено в галерее, проходящей внутри плотины, или по выходе дренажных вод из плотины. Расход при этом определяется или объемным способом, или по производительности насосов, от­ качивающих фильтрационную воду.

Потери воды через неплотности затворов и направляющих аппаратов неработающих турбин часто оцениваются визуально.

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

НАБЛЮДЕНИЯ ЗА НАНОСАМИ И ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ

§ 63. Основные понятия

Речными наносами называются твердые частицы, переносимые потоком и формирующие русловые и пойменные отложения.

Основное количество наносов образуется в результате смыва твердых частиц с поверхности бассейна талыми и дождевыми водами. Часть наносов формируется за счет размыва русла реки.

В формировании речных наносов существенное значение имеет не только энергия потока, но и физико-географические условия, в которых протекает река (рельеф местности, растительность, ха­ рактер грунтов, климатические факторы). Чем больше изрезан рельеф местности, тем более интенсивно смываются твердые частицы с поверхности бассейна. Степень эррозии зависит также от характера грунтов, слагающих поверхность бассейна, и от сопро­ тивляемости их размыву. Чем тверже грунты, тем меньше они подвержены разрушению поверхностными водами. Черноземы, лёссово-суглинистые грунты легко смываются с поверхности бассейна и дают рекам большое количество мелких частиц. Особенно интенсивно талые и дождевые воды размывают рыхлые, распаханные почвы, на которых отсутствует растительность. Нали­ чие растительности в бассейне предохраняет поверхность почвы от разрушения и уменьшает количество твердых частиц, поступающих в реку.

Твердые частицы, смытые с поверхности бассейна в реку, а также поступившие в поток в результате размыва русла, движутся вместе с текущей водой во взвешенном состоянии и путем перекатывания и влечения по дну. В зависимости от способа пере­ мещения наносы делятся на взвешенные и донные.

Количество наносов, проносимых через живое сечение потока за определенный промежуток времени (сутки, месяц, год), называ­ ется с т о к о м на но с о в . Сток наносов выражается в килограммах или тоннах.

Изучение стока наносов имеет большое практическое значение для решения ряда водохозяйственных проблем, связанных со строи­ тельством и эксплуатацией гидротехнических сооружений, исполь­ зованием воды для орошения и водоснабжения. Материалы по количественному учету наносов и их режиму особенно важны при расчете сроков заиления водохранилищ. Отсутствие данных о стоке наносов или недостаточная изученность режима наносов может привести к ошибкам в расчетах. Знание режима наносов дает воз­ можность правильно организовать проведение землечерпательных и дноуглубительных работ.

Изучение стока наносов заключается в определении количества наносов, их гранулометрического состава и в установлении зависимостей расхода наносов от гидравлических характеристик потока.

§ 64. Общие сведения о режиме взвешенных наносов

Твердые частицы, перемещающиеся в потоке во взвешенном состоянии, называются взвешенными наносами.

В условиях равнинных рек взвешенные наносы составляют основную часть общего стока твердых веществ; величина их может достигать 90—98% общего количества наносов. На горных реках количество донных наносов может значительно превышать взвешен­ ные и общий сток наносов формируется в основном за счет донных наносов.

Количественной характеристикой содержания взвешенных нано­ сов в потоке служат расход взвешенных наносов и мутность.

получаемую путем отбора пробы воды с наносами в точке потока; вычисляется как отношение веса наносов к объему взятой пробы:

Я • 106

(91)

где р— в г/м3, Р — в граммах и А — в миллилитрах;

226

б) среднюю мутность потока р0р, вычисляемую путем деления расхода взвешенных наносов на расход воды:

где рС — в г/м3, R — в кг/с и Q — в м3/с.

Мутность по живому сечению потока распределяется неравно­ мерно. Наибольшая мутность наблюдается обычно у дна и в стреж­ невой части реки. На характер распределения мутности по глубине значительное влияние оказывает состав наносов. Если наносы более или менее однородны и состоят из мелких фракций, то по всей глубине потока мутность распределяется сравнительно равно­ мерно; но если наносы состоят из крупных фракций, то чем больше в составе наносов крупных частиц, тем более неравномерно они распределяются по глубине. Особенно неравномерно распределя­ ется мутность на участках рек, подверженных интенсивному размыву. В этих местах часто наблюдается жильное распределение наносов, при котором главная масса их движется в виде отдельных скоплений (жил, струй).

В течение года мутность меняется в значительных пределах,

ивеличина ее зависит главным образом от водного режима реки

иот процессов смыва твердых частиц с поверхности бассейна. Наи­ большая мутность обычно наблюдается в половодье при интенсив­

и гидравлическими характеристиками потока обычно не удается установить. Поэтому, для того чтобы определить сток наносов и выяснить их режим, необходимо организовать систематические на­ блюдения за наносами. В состав наблюдений за взвешенными на­ носами входит: 1) измерение расходов взвешенных наносов, 2) отбор контрольных единичных проб воды на мутность, 3) отбор единичных проб воды на мутность, 4) отбор проб воды для опре­ деления крупности наносов.

§ 65. Приборы для отбора проб воды со взвешенными наносами

Пробы воды со взвешенными наносами берутся приборами, ко­ торые называются батометрами. По конструкции различаются батометры мгновенного наполнения и батометры длительного на­ полнения.

Батометры мгновенного наполнения не учитывают пульсацию мутности, поэтому в настоящее время не применяются. Батометры длительного наполнения берут не мгновенную пробу воды, а осредненную за сравнительно длительный ^период времени и, таким образом, учитывают пульсацию мутности. К батометрам длитель­

ного наполнения относятся: батометр-бутылка на штанге, батометрбутылка в грузе и вакуумный батометр.

иоднолитровой бутылки, помещенной в полости груза.

Впередней части корпуса груза 1 имеется откидная облегчен­ ная головка 2 с пазом, через который выведены наружу воздухо­ отводная и водозаборная трубки. Бутылка 3 в полости груза крепится на прокладке 5 в горизонтальном положении посредством откидной планки 4 с накидкой 7 и зажимного винта 8.

Хвостовое оперение груза весом 15 кг снабжено стабилизатором

И. У грузов весом 50 и 75 кг хвостовое оперение разборной кон­

струкции, состоящей из отрезков полых штанг (соединенных между собой винтовой нарезкой), поплавка 10 и четырехлопастного стабилизатора 11. Балансирование прибора достигается креплением

троса к соответствующему отверстию планки.

К головке грузов весом 50 и 75 кг может крепиться крон­ штейн 12 для установки вертушки.

Батометром в грузе весом 15 кг удобно пользоваться на равнин­ ных реках со скоростями до 1,0 м/с и глубинами до 10 м. Батометр в грузе весом 50 кг целесообразно применять на реках со скоро­

стями до 2,0—3,0 м/с и на реках с глубинами более 10 м. Батометр

в грузе пользоваться нельзя, так как вследствие горизонтального положения бутылка не наполняется водой.

В а к у у м н ы й б а т о м е т р (рис. 118) может применяться на равнинных и горных реках и позволяет брать пробы точечным (при глубинах 0,1 м и более) и интеграционным (при глубинах не менее 1,0 м) способами. Действие прибора основано на засасывании воды путем создания разрежения воздуха в вакуумной камере прибора. Батометр засасывает пробу воды при высоте вакуумной камеры над поверхностью воды не более 3—4 м.

Прибор состоит из вакуумной камеры, ручного насоса двойного действия и водозаборной трубки, соединенных между собой двумя резиновыми шлангами.

229