ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ НА ПРИМЕРЕ РЫБИНСКОГО ГИДРОУЗЛА

Полный текст

Разнообразие берегоформирующих и русловых процессов в нижних бьефах гидроузлов определяет сложность их оценки, расчета и прогнозирования. В большинстве случаев при расчете береговых переформирований учитываются только основные факторы, которые оказывают наибольшее влияние на данный процесс. К ним, как правило, относятся ветро-волновое воздействие, гидродинамические характеристики потока, в некоторых случаях воздействие судовых волн, а также геолого-геоморфологические характеристики русла, транспорт и аккумуляция наносов. Компоненты скорости течения и их пульсации - это основные учитываемые гидродинамические характеристики потока. Каждый конкретный гидроузел в нижнем бьефе имеет свои геолого-геоморфологические и гидрологические условия особенности, а это затрудняет создание и применение единых методик расчета и прогноза переформирований берегов даже в региональном масштабе. В процессе размыва берегов, ведущими факторами, в конкретном случае, могут оказаться те, которые не учитываются в полной мере или вообще не принимаются в расчет. Во многих случаях применение имеющихся рекомендаций для оценки влияния различных факторов и прогнозирования береговых переформирований в нижних бьефах гидроузлов не дают значимых положительных результатов. Возьмем, например нижний бьеф Рыбинского гидроузла, где процессы берегоразрушения приобрели катастрофический характер. Под угрозой разрушения оказались жилые и промышленные объекты, городские коммуникации, газопроводы, линии электропередач, это приводит к усугублению и без того неудовлетворительной общей экологической обстанов- ки в регионе, а всё это из-за оползневых явлений на берегах. При использовании в данном случае традиционных методик и рекомендаций по расчету берегопереформирований показало, что размыв дна и берегов здесь возможны только при попусках в нижний бьеф Рыбинского гидроузла более 3000 м3/с. В нижнем бьефе Рыбинского гидроузла протяженность зоны размыва по левому берегу составляет 5 км, по правому - 7 км, при длине береговой линии равной 20 км в пределах города. При расходах воды менее 1000 м /с, здесь образуются интенсивные береговые и русловые переформирования. В этом случае можно предположить, что в размыве берегов в районе Рыбинска из-за особенностей компоновки гидроузла и режима его работы, происходят недостаточно исследованные процессы, такие как, уровенные колебания, которые возникают в нижнем бьефе во время прохождения волн попусков при суточном и недельном регулировании работы ГЭС. Наша задача определить наличие таких волновых колебаний в нижнем бьефе Рыбинского гидроузла, исследовать их гидродинамические характеристики, оценить их роль в процессе размыва берегов и дать рекомендации по защите берегов в районе Рыбинска, на реке Шексне. Работы, которые посвящены проблеме переформирования берегов рек, в последнее время основываются на математических моделях прогнозирования деформаций берегов. Только в некоторых частных случаях, как показывает практика, применение полученных результатов математического прогноза, дает положительный результат. В связи с этим увеличивается необходимость проведения лабораторного эксперимента, который позволит определить физические явления, происходящие при деформации склонов берегов и динамики русловых потоков. Цель работы заключается в исследовании процессов береговых деформа- ций в нижнем бьефе гидроузлов. Основные задачи исследования: ? определение динамики переформирования русла в нижнем бьефе Ры- бинского гидроузла; ? выявление влияния объемов попусков в нижних бьефах ГЭС на размыв берегов. Описание экспериментальной установки К.И. Россинский отмечал [4], что для решения новых задач исследований русловых процессов и береговых деформаций, огромное значение имеют лабо- раторные исследования на размываемых моделях. На таких моделях методы и приемы исследований зависят от характера поставленной задачи. Достоверность результатов экспериментов береговых деформаций зависит, в первую очередь, от правильности выбора методов экспериментирования, от соответствия явлений, воспроизводимых на натурной модели. Методы экспе- риментирования оказывают большое влияние на результаты исследования вза- имодействия потока с подвижным дном на размываемых моделях. Для того, чтобы провести исследования, было необходимо создать условия, близкие к существующим на реке Шексне, в относительно коротком лотке. Для исследования береговых деформаций используются эксперименталь- ные установки, которые подразделяются на замкнутые (циркуляционные) и не- замкнутые. Стационарность потока проще и надежнее обеспечивают экспери- ментальные установки замкнутого типа. Во время моделирования в лабораторных условиях любого геофизического явления, необходимо воспроизводить его основные детали учитывая как можно более точно заданные параметры, которые определяют изучаемый процесс. В возможности фиксации тех параметров, которые экспериментатор считает ос- новными и заключается преимущество лабораторного эксперимента. В лаборатории «Гидрологической и техническое безопасности гидротехни- ческих сооружений» кафедры «Гидравлики и гидротехнических сооружений» инженерного факультета Российского Университета Дружбы Народов проводи- лись экспериментальные исследования, по изучению деформаций берегов уста- новке циркуляционного действия марки Armfield модели S2 (рис. 1). Рис. 1. Экспериментальная установка Armfield S2 На изометрической схеме установки (рис. 2) можно увидеть, что она авто- матизирована и нуждается только в электропитании. Данная установка состоит из стекловолокнистых емкостей, клапанов, трубопроводов, насоса и блока управления. Элементы данной установки, являющиеся основными, устойчивы к коррозии. Под рабочей секцией лотка на фундаментной плите установлены: насос, расходомер и клапан с электрическим приводом. Из бака под контрольной консолью вода подается в успокоительный бак, который расположен в начале лотка. После чего жидкость проходит через перегородки перфорированного типа, и поток равномерно распределяется до того, как он попадает в рабочий лоток. В рабочей части лотка глубина потока контролируется регулировкой шандоры в конце рабочего участка. С помощью расходомера измеряется объемный расход воды рабочей части, а также он вы- водится на дисплей пульта управления. С помощью регулирующей задвижки (8) можно менять производительность насоса. Он имеет устойчивую падающую характеристику, которая обеспечивает постоянство расхода при не- обходимой степени открытия регулировочной задвижки. Моделирование Был выбран линейный масштаб М = 1:200, который соответствует разме- рам лотка, на котором проводился эксперимент. Масштаб расходов: Мi= = , Uпридон=10 см/сек, Wг.кр.=5 см/сек, Vотн= , = при максимальном расходе Q = 400 . Относительные деформации на модели у нас изменялись от 1 до 5. Моделирование проводилось по Фруду: ; ; ; Мl = ; Мu = ; Мd = ; Мl : Мh; МL; МFr=1 ? М u= Мh1/2; W ? Мd = ; Мu/w = 1 ? Мw = Мu? Md = Mu2? Mh = Md ; Mh = 1/100; Mu =1/10; Md = 1/100; Md=1/10; Mu= 1/3. Фактические объемы определенных расходов соответствуют определенным размерам средней скорости на реке Шексне в точке рассматриваемого размыва, они указаны в таблице 1, которые определили реальное число Фруда по форму- ле: . Таблица 1. Фактические данные Расходы м3/сек Средняя скорость м/сек Число Фруда 500 0,138888889 0,000322 1000 0,277777778 0,001286 1500 0,416666667 0,002894 2000 0,555555556 0,005144 2500 0,694444444 0,008038 3000 0,833333333 0,011574 3500 0,972222222 0,015754 По результатам экспериментов было выявлено, что при расходах, пропус- каемых через отверстие модели, средняя скорость отличается и представлена в таблице 2, а так же было рассчитано число Фруда. Из приведенных выше таблиц 1, 2, можно сделать следующий вывод, что экспериментальные данные числа Фруда приблизительно равны натурным по- казателям и отличаются в сотых долях. Таблица 2. Экспериментальные данные Расходы см3/сек Скорость см/сек Число Фруда 107,5 0,86 0,0000148 215 1,72 0,0000592 430 3,44 0,000237 537,5 4,3 0,000370 860 6,88 0,000947 1075 8,6 0,001479 2150 17,2 0,005917 Описание экспериментов Чтобы провести необходимые измерения, необходимо перед началом экс- периментов выбрать рабочий участок в лотке. Для того чтобы выбрать рабочий участок лотка и оценить его степень приближения к потоку бесконечной про- тяженности, необходимо было произвести серию измерений вертикальных эпюр скорости при жестком дне чистого водного потока по длине лотка. Рис. 3. Фото нижнего бьефа Рыбинского гидроузла со спутника и модель в масштабе 1:200 Как показали измерения, после успокоительно-струевыпрямляющей кассе- ты следует участок, в котором движение неравномерное, именно здесь, как пра- вило, происходит перераспределение скорости, и оно заканчивается на расстоя- нии 2,0 м от входа в лоток. Равномерное движение устанавливается на расстоя- нии 2,0 - 3,5 м. Такой вывод был сделан путем сравнения скоростных эпюр. На режим движения так же влияет всасывающий трубопровод. В рабочую часть лотка была установлена модель русла реки нижнего бьефа Рыбинского гидроузла с линейным масштабом 1:200 (рис. 3).Данная установка была подготовлена к эксперименту следующим образом. Изначально был соз- дан макет русла реки Шексны в масштабе 1:200 в программе Auto CAD, в данной программе он был оцифрован, очерчен, распечатан и вырезан шаблон. По данному шаблону нижнего бьефа Шекснинского гидроузла было создано русло на предварительно выровненном основании из смоченного песка, на дан- ное основание был установлен шаблон нижнего бьефа реки Шексны, далее дан- ный шаблон был обсыпан песком для создания формы русла реки. Бетонные элементы моделируемого комплекса сооружений закреплялись на модели це- ментом. Если посмотреть на рисунок 4, можно увидеть, что правый берег, на котором расположено ОРУ не размываемый, укрепленный, а берег противопо- ложный не укреплен и постоянно находится в процессе размыва. Рис. 4. Фото ГЭС Рис. 5. Фото модели до и спустя 20 минут после начала эксперимента Далее, непосредственно после формирования русла реки в лотке, установка заполнялась водой, подавался определенный расход и велись наблюдения. По- сле проведения первого эксперимента, который длился 20 минут, лоток оста- навливался, и делались измерения, фото- и видеосъемка (рис. 5). Всего было сделано три серии экспериментов по три опыта. Таблица 3. Первая серия экспериментов № ?B, см Bо, см ?B/Bо Qд, мл/с Qо, мл/с Qд/Qо 1 35 25 1,40 268,75 268,75 1 2 39 25 1,56 537,50 268,75 2 3 42 25 1,68 806,25 268,75 3 4 45 25 1,80 1075,00 268,75 4 5 46 25 1,84 1612,50 268,75 6 6 49 25 1,96 2150,00 268,75 8 Таблица 4. Вторая серия экспериментов № ?B, см Bо, см ?B/Bо Qд, мл/с Qо, мл/с Qд/Qо 1 29 25 1,16 107,50 107,5 1 2 32 25 1,28 215,00 107,5 2 3 34 25 1,36 322,50 107,5 3 4 36 25 1,44 430,00 107,5 4 5 37 25 1,48 645,00 107,5 6 6 39 25 1,56 860,00 107,5 8 Таблица 5. Третья серия экспериментов № ?B, см Bо, см ?B/Bо Qд, мл/с Qо, мл/с Qд/Qо 1 25 25 1,00 53,75 53,75 1 2 27 25 1,08 107,50 53,75 2 3 29 25 1,16 161,25 53,75 3 4 31 25 1,24 215,00 53,75 4 5 33 25 1,32 322,50 53,75 6 6 35 25 1,40 430,00 53,75 8 Рис. 6. График зависимости расходов и деформаций Из представленного графика видно, что деформации пропорциональны увеличению расходов. Заключение Проблема береговых деформаций в нижних бьефах гидроузлов актуальна и распространена по всей территории России. Существует множество мероприя- тий по укреплению берегов, однако, ни один из них не дает должной обеспе- ченности без корректировки результатов расчета по средствам гидравлического моделирования. 2. Серии экспериментов показали, что моделирование береговых деформа- ций возникающих в результате попусков ГЭС, достаточно с большой долей достоверности описывают естественные процессы переформирований в нижних бьефах гидроузлов. 3. Полученные зависимости показывают, что объемы деформаций можно снижать (контролировать) путем корректировки графика суточного регулиро- вания ГЭС. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №15-05-00342 и №16- 08-00595

Об авторах

ИЛЬЯ ИГОРЕВИЧ ГРИЦУК

Институт водных проблем Российской академии наук

к.т.н ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ ИОНОВ

Институт водных проблем Российской академии наук, Российский университет дружбы народов

магистр ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

Владимир Кириллович ДЕБОЛЬСКИЙ

Институт водных проблем Российской академии наук

д-р техн. наук ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

ОКСАНА ЯКОВЛЕВА МАСЛИКОВА

Институт водных проблем Российской академии наук

ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333

Список литературы