Общие сведения о верхнем бьефе плотины
1. Характерные уровни воды в верхнем бьефе плотины. Мертвый, полезный и резервный объемы водохранилища. Кривые объемов и зеркал водохранилища. В общем случае различают три характерных уровня воды в верхнем бьефе плотины (рис. В.5): уровень мертвого объема (УМО); нормальный подпорный уровень (НПУ); форсированный подпорный уровень (ФПУ), который возвышается над нормальным подпорным уровнем на высоту а форсировки уровня воды в верхнем бьефе.
Эти три уровня выделяют три призмы водохранилища, образованного плотиной (рис. В.5): призму I — мертвый объем; призму II—полезный объем; призму III — резервный объем. Верхний бьеф плотины (водохранилища) может постепенно заполняться наносами (заилиться). Мертвый объем иногда назначают как некоторый запас на заиление водохранилища. Устанавливают его таким, чтобы этот объем заилялся не ранее чем, например, через 50 лет. Зная мертвый объем, легко установить и отметку УМО. В некоторых случаях мертвый объем определяют отметкой порога водозаборного сооружения, который в соответствии, например, с имеющимися топографическими условиями вынужденно располагается выше дна водохранилища.
Полезный объем — это объем водохранилища, который используют для хозяйственных целей: а) срабатывая полезный объем в засушливый (маловодный) период года, увеличивают расходы воды в нижнем бьефе; б) при наводнении, заполняя полезный объем водой, можно снижать расходы воды в нижнем бьефе и тем самым предотвращать наводнение. Полезный объем и отметку НПУ устанавливают с учетом различных экономических и хозяйственных соображений. При проектировании плотины отметку НПУ следует считать заданной.
Резервный объем, располагающийся между НПУ и ФПУ, целиком определяется (при заданной V НПУ) отметкой ФПУ. Форсированный подпорный уровень есть такой уровень, при котором через полностью открытые водосбросные отверстия плотины (и имеющиеся береговые водосбросы) проходит редко наблюдаемый максимальный расчетный расход воды, относимый поэтому к особому виду нагрузок и воздействий на плотину, при котором в расчеты ее прочности и устойчивости вводится понижающий коэффициент сочетания нагрузок и воздействий. При проектировании плотин, образующих водохранилище, для удобства расчета всегда строят, пользуясь планом местности в горизонталях, кривую объемов водохранилища и кривую площадей зеркал водохранилища А = f2 (V У В), где V — объем воды в водохранилище; А — площадь его зеркала; УУВ— отметка уровня воды в водохранилище (см. рис. В.9). Пользуясь этими кривыми, в процессе выполнения различных расчетов легко находить по заданной УУВ значения У и А или, наоборот, находить УУВ по заданному V.
2. Затраты, обусловливаемые созданием подпора воды, вызванного строительством плотины. Сооружая плотину на реке, мы при этом поднимаем уровень воды в верхнем бьефе, причем получаем кривую подпора, распространяющуюся вверх по течению на большое расстояние (рис. В.6). Кривую подпора строят по правилам гидравлики. Если глубина воды перед плотиной велика, то свободная поверхность воды в верхнем бьефе вблизи плотины может рассматриваться как горизонтальная плоскость.
В различных поперечных сечениях реки (см. рис. В.6), намеченных выше по течению плотины, как правило, получается неодинаковый подъем воды (в связи с сооружением плотины) — разный подпор.
В связи с отмеченным обстоятельством возникает особый вопрос о дополнительных затратах, обусловленных сооружением плотины, вызывающей подпор в верхнем бьефе. Различают следующие виды затрат, вызванные подпором воды в реке.
Затраты, связанные с затоплением земель в верхнем бьефе (рис. В.7): а) на переселение жителей из зоны затопления; б) перенос и переустройство промышленных, транспортных и других сооружений; в) на защиту достаточно крутых берегов от оползней. Говоря о затоплении берегов, различают затопления постоянные и временные.
Затраты, связанные с подтоплением земель (вызванным подъемом уровня грунтовых вод). При подъеме уровня воды в реке поднимается и уровень грунтовых вод в берегах (рис. В.8). При этом приходится бороться с заболачиванием берегов, подтоплением строений и т. п.
Затраты, связанные с подготовкой ложа водохранилища: а) на снос строений; б) перенос памятников культуры; в) борьбу с возможным всплыванием торфяных масс; г) проведение санитарных мероприятий (хлорирование кладбищ и т.п.); д) создание вокруг водохранилища (служащего для водоснабжения населенных мест) так называемой охранной зоны, где должен поддерживаться определенный режим эксплуатации этой зоны, обеспечивающий неза грязнение воды в водохранилище; е) вырубку леса в пределах водохранилища (хотя это последнее мероприятие может иногда приносить не убыток, а прибыль).
Рассматривая затопление земель в верхнем бьефе, легко видеть, что при разных расходах воды кривые подпора в реке должны получаться неодинаковые. При особенно больших паводочных расходах (когда все водосбросные отверстия плотины открыты) можно получить особенно большое затопление земель в верхнем бьефе, в частности потому, что кривая подпора при больших расходах относительно круто поднимается вверх при удалении от плотины. Чтобы уменьшить площадь таких затоплений, иногда при пропуске через плотину максимальных расчетных расходов снижают у плотины уровень воды, т. е. отметку форсированного подпорного уровня (ФПУ) назначают меньше отметки нормального подпорного уровня (НПУ) (см. рис. В.6).
3. Определение полезной емкости водохранилища и отметки нормального подпорного уровня воды (НПУ). Всякое водохранилище характеризуется двумя кривыми: кривой объемов водрхра нилища и кривой площадей зеркал (рис. В.9). Необходимую полезную емкость проектируемого водохранилища устанавливают с помощью так называемых водохозяйственных расчетов.
При расчете полезного объема водохранилища учитывают: 1) приток воды Уприт, поступающей в водохранилище, на основании гидрометрических наблюдений и гидрологических расчетов. В результате строят интегральную кривую притока воды (за много лет) в водохранилище, прошедшей через рассматриваемый створ реки за время t—tо; t0—начальный момент отсчета времени; t — время; 2) расход воды, забираемой из водохранилища потребителями; соответствующую интегральную кривую (0 легко можно построить, имея графики потребления воды из водохранилища (например, «поливные графики»); 3) бесполезные потери воды из водохранилища слагаются: а) из потерь воды на испарение с поверхности водохранилища; для определенных климатических условий эти данные определяют площадью зеркала водохранилища; б) из потерь воды на фильтрацию через ложе водохранилища.
Потери воды на испарение учитывают на основании имеющихся метеорологических данных. Потери на фильтрацию оценивают на основании гидрогеологических данных и фильтрационных расчетов. Здесь должны учитываться и потери воды на фильтрацию в обход плотины и через плотину (если она земляная). Расход воды, теряемой на фильтрацию из водохранилища при установившейся фильтрации воды, не может быть большим
Обычно установившийся фильтрационный расход бывает значительно меньше, чем он получается по формуле (В.1).
Отмеченные выше бесполезные потери воды при расчете складывают с полезным потреблением воды, причем строят интегральную кривую, где сумма объемов полезного потребления воды и бесполезных потерь на испарение и фильтрацию.
В дальнейшем, до момента времени t2 (т. е. до точки В) водохранилище будет опорожняться. При этом объем воды, выпущенной из водохранилища к моменту времени t2, будет равен V
После момента времени t2 водохранилище начнет наполняться и в момент времени tz полностью наполнится.
После момента времени tz начнется сброс лишней воды из водохранилища (в нижний бьеф плотины), который будет длиться до момента времени 14.
Полный объем сброса воды в нижний бьеф плотины выражается отрезком Усбр. 4
Далее переходим к точке С кривой разности, когда водохранилище оказывается полностью наполненным. При этом в момент времени t*, отвечающий точке С, начинается вторая фаза работы водохранилища, которая ничем не отличается от рассмотренной выше первой фазы. После этого будет третья фаза и т. д. В результате рассмотрения каждой такой фазы будем получать объем воды, выпущенной потребителям из предварительно наполненного водохранилища (см. на рис. В. 10, б отрезки Vi, V2, Уз и т. д.). Среди этих объемов надлежит выбрать наибольший объем Ушах; при этом, чтобы удовлетворить полностью потребителей воды, полезный объем водохранилища. Именно так решается задача об отыскании необходимого полезного объема водохранилища, если расходы потребителя заданы.
Часто расходы потребления не задаются. В этом случае с увеличением этих расходов нужно увеличивать объем водохранилища, а следовательно, и высоту, и стоимость плотины. Вместе с тем увеличивают также и площадь орошаемых земель или мощность ГЭС и т. п.
Подобные вопросы решают на основании специальных техникоэкономических расчетов, причем устанавливают наиболее рентабельное значение полезного объема, а следовательно, и наиболее рентабельную отметку НПУ, которая должна быть задана для проектирования плотины.
4. Отложение наносов перед плотиной (в водохранилище). В общем случае поток воды, поступающей в верхний бьеф плотины (в водохранилище), может транспортировать взвешенные и донные наносы.
По мере приближения к плотине живые сечения потока увеличиваются, скорости же движения воды уменьшаются, поэтому наносы, влекомые потоком, могут отлагаться в водохранилище. Вначале наносы отлагаются главным образом в верховье водохранилища. Крупность отложившихся наносов уменьшается по течению, ограничивающую некоторый объем отложившихся наносов к моменту времени ti\ di>d2>d3>d4, где d — диаметр фракций наносов). С течением времени область отложившихся наносов приближается к плотине (кривая ab2c2, ограничивающая объем наносов, отложившихся в водохранилище к моменту времени t2>ti).
Заполнение водохранилища наносами происходит по достаточно сложной схеме; для упрощения предполагаем, что водохранилище заполняется объемами наносов, ограниченными сверху горизонтальной плоскостью, что в действительности не наблюдается.
В случае, когда водный поток несет наносы, построенное водохранилище должно заиляться. Период полного заиления водохранилища может быть равным, где V — объем водохранилища; V—объем наносов, отлагающихся в нем в течение года. Уменьшению полезного объема водохранилища иногда может способствовать оползание его берегов, устойчивость которых нарушается в связи с насыщением их грунтовой водой. Достаточно быстрое оползание больших объемов грунта в водохранилище может вызвать на поверхности воды в водохранилище особую волну, которая, как показывает опыт, может разрушить плотину (благодаря переливу воды через нее).
Относительно эффективные меры по борьбе с заилением водохранилищ следующие:
1) регулирование русл в верховьях реки и ее притоков с таким расчетом, чтобы они размывались незначительно, при этом вода будет содержать относительно мало наносов;
2) рациональный режим наполнения водой водохранилища — в те периоды времени, когда вода содержит большое количество наносов, водохранилище не наполняют; водохранилище наполняютодой на спаде паводка, когда вода содержит небольшое количество наносов. Такая мера является не сколько опасной: начав наполнять иодохранилище на спаде паводка, мы можем не наполнить его водой полностью (воды не хватит для его наполнения). Однако вода, содержащая взвешенные наносы, имеет Рис. В.12. Стратифицированный относительно большой удельный поток: нес. Поток, сильно насыщенный наносами, движется ПО дну водохра 4 — плотина; S — водопропускное от иилшца и не смешивается с выше лежащими объемами чистой воды; имеет место так называемая стратификация потока (рис. В.12). Имея в виду такого рода физическое явление, иногда устраивают при плотине специальные донные отверстия, через которые и выпускают в нижний бьеф нижний насыщенный наносами поток;
3) очистка водохранилища от уже отложившихся наносов (этот способ запатентован в Румынской Народной Республике); в плотине сооружают донный водоспуск, через который пропускают конец гибкого трубопровода. Этот трубопровод может легко перемещаться по всему водохранилищу, в связи с чем его приемное отверстие может быть расположено в любом месте водохранилища, благодаря разности уровней воды в водохранилище и в нижнем бьефе в трубопроводе создаются большие скорости воды, за счет которых и осуществляется промыв уже отложившихся наносов. Подвижное приемное отверстие трубопровода снабжают специальным разрыхлителем грунта. Для удаления наносов используют избыток воды во время паводка.
Итак, в результате заиления водохранилища не только уменьшается его объем, но также поднимается кривая подпора, в связи с чем увеличивается затопление земель в верхнем бьефе плотины (см. на рис. В.11 кривые свободной поверхности 4 и 5, отвечающие моментам времени ti и t2).