Специфика гидротехнических сооружений

При строительстве промышленного или гражданского сооружения интересуются только той местностью, в которой располагается данное сооружение. При строительстве высокой плотины следует принимать во внимание большой окружающий ее район, экономику этого района и оценку воздействия строительства плотины на окружающую среду.

Гидрологические расчеты

Чтобы тип и размеры гидротехнического сооружения увязать с природными возможностями реки и с уже существующим использованием этой реки, необходимо знать законы гидрологии — науки, изучающей воды Земли, их свойства, распространение и протекающие в них процессы.

Гидрологи, применяя законы теории вероятности и математической статистики, обеспечивают проектирование гидротехнических сооружений исходной информацией. В частности, на основании гидрологических расчетов определяется приток воды с водосборной площади, максимальные сбросные расходы, пропускаемые по водосбросному тракту в период паводка, и условия наполнения водохранилища.

Водохранилищем называют искусственный водоем, образующийся перед плотиной и запасающий некоторый объем воды. Основное назначение водохранилища — регулирование стока. Под регулированием стока понимается накопление воды, когда приток в реке большой, для того чтобы использовать накопленную воду в маловодный период.

Сток любого водотока (объем воды, протекающий через створ плотины за определенное время, например за год) подчиняется определенной закономерности. Очевидно, что сток реки переменчив, поскольку зависит от климата и количества осадков. Поэтому упомянутая закономерность носит случайный характер. Непрерывное ежегодное наблюдение над стоком позволяет получить гидрограф — график, показывающий изменение расходов воды во времени. На рис. 3.9 показан пример гидрографа для паводков разной повторяемости.

Рис. 3.9. Гидрографы реки в створе проектируемой плотины для паводков с расходами воды повторяемостью 1 раз в 10 000 лет, 1 раз в 5000 лет и 1 раз в 1000 лет

Проектируемые водосбросные устройства должны обеспечить пропуск максимально возможного в данных условиях расхода паводка. Выбор повторяемости максимальных расходов воды осуществляется в зависимости от класса сооружения для двух расчетных случаев — основного и поверочного по табл. 3.6 [12].

Таблица 3.6

Повторяемость максимального расчетного расхода воды

Выше отмечалось, что при определении параметров максимального стока предпочтение отдается вероятностным методам. Эти методы, как правило, применяются в России. В США с 1960-х гг. применяется не вероятностный, а иной, расчетный метод. Ответственные сооружения рассчитывают на условия прохождения, так называемого вероятного максимального паводка (probable maximum flood — PMF), который может образоваться при сочетании самых неблагоприятных или предельно возможных факторов: метеорологических (жидкие или твердые осадки, температура и влажность воздуха) и стокоформирующих (состояние поверхности и почвогрунтов водосбора).

Сопоставление результатов расчетов максимальных расходов воды, полученных в институте «Гидропроект» вероятностными методами и расчетными (PMF), показывают, что расход воды PMF, как правило, до 50 % превышает расход воды, рассчитанный с использованием вероятностных методов. Эти расчеты проводились в 1990-е и 2000-е гг. при проектировании ГЭС Шон Ла во Вьетнаме, ГЭС Ка- панда в Анголе, гидроузлов Тери в Индии и Се Конг в Лаосе.

Метод PMF, разработанный в США, применялся преимущественно для плотин на реках, где паводки имеют ливневое происхождение. Поэтому применительно к природным условиям значительной части территории России (с паводками смешанного происхождения, например снегодождевых) необходимы иные подходы к методу PMF. Тем не менее следует знать, что применение метода PMF является обязательным при выполнении проектных работ по зарубежным заказам.

Кроме максимальных сбросных расходов, должны быть установлены характерные уровни воды в водохранилище. Эти уровни воды используются при проектировании и расчетном обосновании возводимых гидросооружений (рис. 3.10):

• • форсированный подпорный уровень (ФПУ);
• • нормальный подпорный уровень (НПУ);
• • уровень мертвого объема (УМО).

Рис. ЗЛО. Характерные уровни воды в водохранилище

Три уровня воды в водохранилище соответственно выделяют три призмы: I — мертвый объем, II — полезный объем и III — объем форсировки или резервный объем (см. рис. 3.10).

НПУ — уровень, соответствующий верхней границе полезного объема водохранилища при нормальных условиях эксплуатации. Полезный объем — это объем водохранилища для увеличения в маловодный период расходов и уровней воды в нижнем бьефе и аккумуляции паводков для борьбы с наводнениями. При назначении НПУ руководствуются условиями обеспечения большей емкости водохранилища и одновременной недопустимости или нежелательности подтопления. Повышение уровня водохранилища над НПУ в нормальных условиях эксплуатации недопустимо, за исключением кратковременных подъемов уровня вследствие ветрового нагона. Отметку НПУ устанавливают на основе технико-экономических расчетов различных вариантов.

ФПУ — кратковременный уровень в водохранилище в период пропуска максимальных сбросных расходов. ФПУ возвышается над нормальным подпорным уровнем на высоту а (1,5—2 м), называемую высотой форсировки. Емкость форсировки (резервный объем) используется с целью уменьшить размеры водосбросных сооружений за счет накопления воды в объеме, заключенном между ФПУ и НПУ, и при спаде высоких (паводковых) вод немедленно опоражнивается.

УМО — минимально возможный уровень в водохранилище, ограничивающий мертвый объем сверху. Мертвый объем — запасная емкость, рассчитанная на постепенное заполнение наносами, зимовку рыбы, обеспечение нормальных санитарных условий (недопущение мелководья), обеспечение судоходных глубин и создание расчетного напора.

Мертвый объем — постоянный объем, не участвующий в регулировании стока и не подлежащий сработке в нормальных условиях эксплуатации.

Существует несколько видов водохранилищ, подразумевающих периоды регулирования стока: сезонного (годичного) регулирования, многолетнего регулирования и суточного регулирования.

Водохранилища сезонного (годичного) регулирования являются самым распространенным видом водохранилища. Наполнение водохранилища происходит в периоды половодий и паводков, обычно это весенние и летние месяцы, а сработка водохранилища — в межень (период с наименьшим притоком воды), как правило приходящийся на зимние месяцы. Упрощенное определение сезонного регулирования стока — это ежегодная сработка водохранилища до УМО. Водохранилища многолетнего регулирования — самые большие по объему. В водохранилище запасается сток многоводных лет для использования его в маловодные годы. Многолетнее регулирование стока — это такое регулирование, когда водохранилище срабатывается до УМО только в конце маловодных периодов. Водохранилища суточного регулирования преобразуют сток реки в течение суток. Например, в дневные часы, когда потребителям требуется больше энергии, вода из водохранилища тратится на ее выработку. В ночные часы, когда потребление электроэнергии снижается и, соответственно, снижается ее выработка на ГЭС, вода накапливается в водохранилище для следующего дня.