ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА НА ЗАТВОРЫ ПЛОТИНЫ

Полный текст

Одним из основных оборудований водоприемной части здания ГЭС является гидромеханическое оборудование, в состав которого входят затворы, перекрывающие доступ воды в проточную часть гидротурбины. По назначению затворы подразделяются не ремонтные С. В. Евдокимов, А. А. Романов, Б. Г. Иванов 63 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 и аварийно-ремонтные. Аварийные затворы в отличие от ремонтных затворов устанавливаются в текущую воду. Многолетний опыт эксплуатации поверхностных аварийных затворов в условиях ледостава на ряде гидроэлектростанций показал недостаточную эффективность применяемых методов борьбы с обмерзанием конструкций. Исследования в данной области весьма актуальны, особенно в зимний период, когда на поверхности воды образуется ледяной покров. В целях получения натурных данных и научной информации для разработки рекомендаций по режимам эксплуатации и учета при проектировании гидромеханического оборудования на ГЭС были проведены исследования напряжений и прогибов в несущих элементах затвора водосливной плотины Жигулевской ГЭС в зимнее время [1, 2]. В районе размещения гидроэлектростанции ежегодно выпадает около 90-120 мм зимних осадков. Наличие оттепелей с положительными температурами и ветров со скоростью до 10 м/с способствует постепенному уменьшению высоты снега на льду. Так высота снежного покрова льда в зимний период 2017-2018 гг. в первой декаде декабря достигала 17 см. В конце декабря в результате длительного потепления первичный снег растаял. Вторичный снеговой покров в 2018 г. начал накапливаться с 15 января и сохранился до 5 марта. В зимний период 2018-2019 гг. снег выпал 3 декабря и сохранился до 5 марта. Наибольшая высота снега на льду за эти годы была равна 15 см. Максимальная высота снега для данной зоны за весь период наблюдений составляла 28 см [1]. Ледяной покров на водохранилище обычно устанавливается в ноябре-декабре, за период исследований водохранилище замерзало со 2 по 5 декабря. Наибольшая толщина льда в водохранилище достигала 103 см, а за период проведения исследований максимальная толщина не превышала 70 см. Наибольшая толщина глубинного льда, намерзшего ровным слоем в виде щита на обшивке затвора, составляла 120 см. В первые дни ледостава в ледяном покрове образуются мелкие температурные трещины, которые в последующем увеличиваются по длине на всю ширину водоема, раскрытие их достигает 50 мм. Наблюдениями отмечались периодические подвижки центрального поля льда, что вызвало торошение льда по трещинам. В отсеках между быками вследствие температурных деформаций и колебаний уровней воды образуются разломы льда с торосами у боковых граней и в зоне оголовка быка. Характерные размеры толщины льда и высоты снега за период наблюдений на приплотинной части гидроэлектростанции представлены в таблице [1]. Колебания уровней воды способствуют разлому ледяного покрова по контуру быков и затворов. Проектная сработка уровня воды 6 м. Колебания уровней воды у гидроэлектростанции в течение суток значительны, что связано с резким изменением нагрузки. У водосливной плотины суточные и часовые колебания уровня воды имеют более сглаженный ход и меньшие амплитуды в 20-30 см вследствие распластывания перепада уровней от здания гидроэлектростанции до водосливной плотины на расстоянии почти 3 км. Однако и эти величины с общей сработкой водохранилища способствуют образованию трещин и разломов ледяного покрова перед плотиной, смягчая тем самым воздействие льда на затворы при его температурном расширении. Правила технической эксплуатации затворов водосливных плотин в зимнее время предусматривают обогрев конструкций по пазам, порогу и обшивке в комплексе с мероприятиями по поддержанию майн перед сооружением. Цель проведения этих мер заключается в следующем: 1) исключить примерзание затвора для обеспечения маневренности в случае необходимости; 2) снять возможные ледовые нагрузки в связи с полной неопределенностью исходной информации о возможной величине этих нагрузок, что затрудняет их учет при проектировании. Эти обстоятельства способствовали широкому развитию разработок и проектированию различных мероприятий по борьбе с обмерзанием затворов и ледообразованием перед ними путем устройства майн. Однако практика показала, что мероприятия по обогреву затворов и устройству майн не всегда достаточно обоснованны и оправданны. На Жигулевской ГЭС в течение многих лет практиковалось вмерзание некоторых затворов Толщина льда и высота снежного покрова на приплотинной части гидроузла, см Годы 2014/2015 2015/2016 2016/2017 2017/2018 2018/2019 2019/2020 Месяцы XII I II III XII I II III XII I II III XII I II III XII I II III XII I II III Средняя высота снега 4 18 28 - 12 14 20 - 4 8 5 2 8 - - - 6 6 12 - - 10 15 2 Средняя толщина льда 11 33 45 48 20 44 59 68 20 45 64 74 16 - - - 25 47 65 59 20 43 55 60 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 64 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО в лед, т. е. обеспечивалось проведение зимней консервации затворов [3]. Имеющиеся строительные нормы требовали в сложных ледовых условиях подкреплять расчетные предпосылки данными натурных исследований действия льда на сооружения. Однако процесс непосредственного измерения давления льда на затворы встречал ряд серьезных трудностей, обусловленных как отсутствием надежных приборов, так и неоднозначным взаимодействием сооружения и примерзшего к нему ледяного покрова при температурных деформациях и колебаниях уровня воды. Приборы, устанавливаемые в различных точках в поле льда перед затворами, дают большой разброс показаний, что затрудняет получение объективного представления о распределении нагрузок по ширине пролета и высоте затвора [4]. Объективно оценить давление льда на сооружение по измеренным напряжениям в поле льда возможно лишь с учетом предварительного напряженного состояния ледяного покрова. Месдозы в поле льда, работающие только на сжатие, фиксируют повышение давления (сжатия) равно как при понижении, так и при повышении температуры льда с момента начала распора ледяного покрова в чаше водоёма после закрытия всех трещин. При установке приборов в обшивку затвора сказывается взаимодействие затвора и ледяного щита (глубинного льда) при температурных деформациях затвора, искажающее истинное представление о давлении ледяного поля. С учетом сказанного, в проведенных натурных исследованиях наибольшее внимание было уделено напряжениям и прогибам несущим конструкциям затвора и их колебаниям под влиянием изменяющихся факторов воздействия [5]. Натурные измерения напряжений проводились на затворе № 28 с помощью струнных накладных тензометров ТН-150, давления льда на обшивку затвора - датчиками давления ГД-6. Прогибы ригелей фиксировались с помощью натянутых струн в пролете затвора и механических самописцев. Натурные исследования показали, что решающее значение в образовании давления льда на затворы имеют температурные деформации льда. Наибольшие составляющие напряжений в ригелях от воздействия льда и температурных деформаций конструкций в условиях полного вмерзания в лед (без майн и обогрева) достигали 750 кгс/см2 (нижний ригель); суммарные измеренные напряжения - 1450 кгс/см2, расчетные - 2100 кгс/см2. Максимальные измеренные прогибы ригелей достигали 15 мм (нижний ригель при уровне 1,5 м ниже отметки НПУ), расчетные - 37,5 мм (при отметке НПУ). Фактические прогибы в зимний период были ниже тарировочных значений на гидростатическую нагрузку вследствие увеличения жесткости конструкции за счет намерзания глубинного льда на обшивке в виде щита, толщина которого достигала 1,2 м. Проведенные исследования позволили сделать вывод о возможной консервации затворов при выполнении рекомендованного режима сработки уровней, который находится в пределах проектных параметров. Более подробно остановимся на методике проведенных исследований. Как было отмечено выше, напряжения в несущих элементах затвора измерялись струнными накладными тензометрами ТН-150. Относительная суммарная погрешность по паспортным данным составляла +1 % в диапазоне температур от -30 до +60 °C. Прослушивание приборов осуществлялось центральной генераторной станцией типа ЦС-5 с точностью измерения +1 Гц. Отсчеты по приборам снимались дискретно два-три раза в день - утром в 7-8 часов при минимуме и днем в 14-16 часов при максимуме температуры воздуха. Прогибы ригелей фиксировались относительно неподвижной струны, натянутой в пролете. Регистрация показаний осуществлялась механическим самописцем с часовым механизмом. Температура воздуха измерялась стандартными метеорологическими спиртовыми термометрами с ценой деления 0,2 °C в те же сроки, что и напряжения. В процессе исследований выполнялись наблюдения за толщиной льда, высотой снега на льду. Фиксировались трещины в ледяном покрове, наличие в них воды и характер разломов ледяного покрова при колебаниях уровня воды. Температура льда измерялась термометрами сопротивления типа ММТ-4. Показания ледовых термометров снимались мостом постоянного тока типа МВУ-49 в те же сроки, что и напряжения. На обшивке затвора со стороны верхнего бьефа в пределах глубины 3 м от стабильного осеннего уровня воды были установлены через 0,6 м по высоте пять грунтовых динамометров. Крепление приборов осуществлялось специальной закладной деталью, изготовленной на гидростанции по заказу исследователей, выступавшей из плоскости затвора на 8 см. Тарировка приборов, установленных на затворе, проводилась осенью и весной гидростатической нагрузкой с помощью ремонтного затвора. По результатам этих тарировок получены стабильные графики зависимости напряжений и прогибов от гидростатической нагрузки, С. В. Евдокимов, А. А. Романов, Б. Г. Иванов 65 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 позволяющие расчетом оценить величину ледовых нагрузок [6-8]. По результатам натурных исследований были сформулированы следующие выводы и предложения. 1. Зимний период в районе Жигулевского водохранилища характеризовался средними морозами, которые сменяются оттепелями до 1 °C, весьма незначительным снежным покровом, систематическим суточным колебанием уровня верхнего бьефа с размахом около 30 см и сработкой водохранилища за зиму на 4,0 м. Наибольшие измеренные суммарные напряжения в ригелях составили 450, 1100 и 1450 кгс/см2 соответственно в верхнем, среднем и нижнем ригелях [9]. 2. Решающее значение в образовании давления льда на затворы имеют термические деформации льда. Натурные исследования показали, что повышение температуры воздуха вызывает увеличение растягивающих напряжений в ригелях. На основании данных наблюдений можно сказать, что наиболее неблагоприятными являются резкие потепления после сильных морозов в малоснежные зимы при относительно стабильном уровне водохранилища. В результате в приплотинной части образуется кристаллический лед без прослоев воды, водно-снегового льда и снега, а сумма отрицательных температур не столь велика, чтобы образовать толстый слой глубинного льда на обшивке затвора, способного воспринимать на себя часть ледовых нагрузок. 3. Максимально измеренные прогибы в среднем и нижнем ригелях составили 14 и 15 мм соответственно при расчетном прогибе 37,5 мм. 4. Вмерзание плоских затворов в лед, т. е. зимняя консервация без обогрева и без поддержания майн перед фронтом сооружения на Жигулевской ГЭС, не является опасным и допускается в пределах проектных и фактических расчетов, наблюдаемых в период работы ГЭС, режимов суточных колебаний уровня воды и сработках водохранилища в период ледостава. 5. В результате исследований получена информация о статической работе плоских затворов в зимних условиях, представляющая теоретический и практический интерес. Материалы могут быть использованы для уточнения правил технической эксплуатации и уточнения нормативных документов на проектирование гидромеханического оборудования на ГЭС.

Об авторах

Сергей Владимирович ЕВДОКИМОВ

Самарский государственный технический университет

Алексей Александрович РОМАНОВ

Тольяттинский государственный университет

Борис Георгиевич ИВАНОВ

Самарский государственный университет путей сообщения

Список литературы

Дополнительные файлы