КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОПУСКА ЛЬДА ПО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ОСОБЕННОСТЯМ РАБОТЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2.1. Непосредственный пропуск льда следует осуществлять, как правило, на начальных этапах строительства гидроузла через стесненное перемычками русло или через гребенку с низким порогом, через гребень перемычек или строящейся нижней части плотины или при эксплуатации сооружений, работающих с относительно небольшим перепадом бьефов. Такой пропуск льда может применяться в некоторых случаях при значительном перепаде бьефов и малой интенсивности ледохода, когда размеры и толщина, а также прочность льдин невелики.

Частичное задержание льда в верхнем бьефе перед последующим его пропуском через сооружения при повышении температуры окружающей среды способствует снижению его прочности, разрушению на подходе к сооружениям и в их пределах.

2.2. Условия ледохода полностью определяются гидравлическим режимом на следующих участках русла реки и сооружений:

верхний бьеф на участке, примыкающем к сооружениям;

подходной участок (канал);

водопропускные сооружения;

отводящий участок (канал);

нижний бьеф.

В пределах каждого сооружения следует различать входной участок, тракт сооружения, его выходной участок. На входном участке сооружений скорости течения существенно возрастают, а на выходном могут значительно уменьшаться. В отдельных конкретных сооружениях некоторые из этих участков могут отсутствовать или совмещаться.

При рассмотрении режимов прохождения льда необходимо учитывать условия истечения через водопропускные сооружения, схемы которых представлены на рис. 1.

2.3. Гидравлические параметры работы водопропускных сооружений при той или иной схеме истечения должны устанавливаться на основе методов расчета, приведенных в П-18-74 и других руководствах, например [1, 2]. Условия транспорта льда при различных схемах его пропуска определяются расходами воды в ледоход, значениями поверхностных скоростей течения и их направлением относительно сооружений, глубинами потока на подходе к сооружениям и в их пределах, напором на гребне водослива, заглублением потолка глубинных трубчатых водосбросов и туннелей под уровень верхнего бьефа, состоянием свободной поверхности потока перед сооружением (формой кривой свободной поверхности, наличием остановившихся волн), возникновением вихревых воронок на входе в сооружение.

Рис. 1. Схемы истечения при пропуске льда через водопропускные сооружения

а — незатопленное истечение через водослив со стенкой практического профиля;

б — незатопленное истечение через водослив с широким порогом; в — затопленное истечение через водослив со стенкой практического профиля; г — затопленное истечение через водослив с широким порогом; д — истечение через безнапорный закрытый водосброс с затопленным входом; е — безнапорный закрытый водосброс с истечением из-под затвора;

ж — водослив с истечением из-под затвора; з — закрытый водосброс с напорным режимом течения

2.4. Схемы пропуска расходов воды и льда зависят от района расположения гидроузла, типа, состава и компоновки его сооружений, стадии строительства и режима эксплуатации. Основные схемы пропуска ледохода через сооружения гидроузлов и их гидравлические особенности приведены в таблице Приложения 1.

2.5. Пропуск льда через суженное перемычками русло реки происходит в гидравлических условиях истечения, характерных для водослива. Такие гидравлические условия работы сооружения, как правило, относятся к водосливам без порога, которые в свою очередь являются разновидностью водослива с широким порогом. В зависимости от степени стеснения русла перемычками и природных условий реки (расход, уклон реки и т.п.) на участке суженного русла может устанавливаться неподтопленный и подтопленный режимы истечения.

В случае неподтопленного режима истечения у входа в суженный участок русла наблюдается водопадная область, в которой поток переходит из спокойного в бурное состояние. В этой области с сосредоточенным на короткой длине перепадом уровней воды ледяные поля, имеющие ширину большую, чем ширина сужения, разламываются на части и беспрепятственно проходят в нижний бьеф сооружения. При подтопленном режиме истечения перепад уровней воды на входе в сужение невелик. В этом случае пропуск ледяных полей с шириной больше ширины сужения русла может быть обеспечен, если кинетическая энергия льдин достаточна для их разрушения при ударах о перемычку и борта, ограничивающие это сужение.

2.6. Пропуск льда через гребенки строящихся бетонных плотин. Для этой схемы пропуска льда следует различать два типа конструкции гребенки и два вида гидравлического режима на подходе к гребенке: с существенным перепадом непосредственно перед гребенкой или без перепада. Порог гребенки может располагаться непосредственно у дна реки - гребенка с низким порогом. Гидравлические условия ее работы отвечают случаю истечения через водослив с широким порогом. Если истечение через такую гребенку является неподтопленным, то на входе у сооружения образуется водопадная область со значительным перепадом уровней, на котором происходит разлом крупных ледяных полей. При подтопленном истечении через гребенку с низким порогом пропуск крупных ледяных полей возможен лишь при их низкой прочности и запасе кинетической энергии льдин, достаточной для их раскалывания или прорезания быками.

Гребенка с высоким порогом в большинстве случаев работает при неподтопленном режиме истечения как водослив со стенкой практического профиля или как водослив с широким порогом. На подходе к такой гребенке ледяные поля разрушаются в пределах водопадной области у сооружения.

В некоторых случаях верховой оголовок быков гребенки по тем или иным причинам смещают за пределы ее напорной грани в верхний бьеф. В этом случае даже при неподтопленном режиме истечения через гребенку условия пропуска льда через сооружение могут существенно ухудшиться, так как водопадная область может образовываться лишь между быками, а это в существенной мере затруднит разрушение крупных ледяных полей.

2.7. Пропуск льда через глубинные трубчатые водосбросы существенным образом определяется гидравлическим режимом их работы. Условия пропуска льда через безнапорные трубчатые глубинные водосбросы полностью аналогичны пропуску льда через гребенку бетонной плотины.

При пропуске льда через глубинные трубчатые водосбросы с затопленным входом сосредоточенный перепад перед сооружением отсутствует, дробление льдин происходит при их ударе о быки, под влиянием вихревых воронок и под напором надвигающихся с верхнего бьефа масс льда. Через глубинные водосбросы проходит лишь ослабленный раздробленный лед, его пропуск происходит более успешно, если перед входными оголовками глубинных водосбросов образуются вихревые воронки. Вихревые воронки возникают перед входом в сооружение при наличии выдвинутых вверх по течению быков и косом подходе потока к водосбросам.

При опасности забивки льдом глубинных водосбросов и необходимости предотвратить через них пропуск льда прибегают к повышению уровня верхнего бьефа таким образом, чтобы избежать подныривания льдин. Для этого уменьшается пропускная способность водосбросов либо за счет полного закрытия затворами части пролетов, либо при частичном открытии затворов.

Аналогично частичное открытие затворов может использоваться в случае необходимости задержки льда при пропуске расходов через любые поверхностные водосбросы, например, водосливные плотины.

2.8. Пропуск льда через береговые водосбросы, выполненные в виде каналов, быстротоков или туннелей, определяется гидравлическими условиями при различных конструктивных схемах (см. рис. 1). Подходной участок (канал) или входной участок, а в ряде случаев и весь тракт береговых безнапорных водосбросов работают в основном по схеме течения через водослив с широким порогом и значительно реже - через водослив со стенкой практического профиля. Если безнапорный береговой водосброс работает как незатопленный водослив, то в пределах водопадной зоны, которая образуется перед подходным каналом или входным участком водосброса, происходит разрушение крупных ледяных полей и более мелкие льдины проходят через сооружение. Если течение через безнапорный береговой водосброс происходит по схеме затопленного водослива, то на подходном участке отсутствует значительный перепад, и ледяные поля могут разламываться при ударах о борта подводящего участка и бетонные конструкции. Лед поступает на тракт таких сооружений только после значительного снижения его прочности.

Пропуск льда через туннели с затопленным входным сечением осуществляется также, как и через глубинные водосбросы с аналогичными режимами течения.

Задержание льда перед береговыми водосбросами может осуществляться за счет снижения их пропускной способности или за счет подъема УВБ при маневрировании затворами.

2.9. Пропуск льда при переливе воды через гребень временных и постоянных водопропускных сооружений (грунтовые и бетонные перемычки и строящиеся плотины, водосливные плотины) происходят при режимах работы, характерных для схемы водослива.

2.10. В ряде случаев целесообразно применение комбинированных схем пропуска ледохода через сооружения гидроузлов, при которых возможны следующие сочетания различных сооружений для пропуска льда:

1. Используются несколько типов водопропускных сооружений или в состав ледопропускного фронта входят пролеты, отличающиеся размерами. В практике строительства гидроузлов встречались следующие комбинации сооружений, работающих совместно при пропуске ледоходов: глубинные и поверхностные водосбросы, суженное перемычками русло и береговой канал, строительный туннель и недостроенная плотина, пролеты гребенки, имеющие различную ширину. Гидравлические особенности пропуска льда через сооружения, применяемые в таких комбинациях, аналогичны изложенным выше. Совместное использование различных водопропускных сооружений в период ледохода позволяет более гибко учесть их достоинства и недостатки.

2. Совместно применяются сооружения, которые располагаются последовательно по течению. К такого рода схемам прибегают в тех случаях, если основное водопропускное сооружение работает при подтопленном или напорном режиме течения и не обеспечивает пропуск значительных по размерам ледяных полей. В этом случае на подходе к этому сооружению предусматривают конструктивные мероприятия, способствующие возникновению сосредоточенного перепада уровней и, соответственно, разрушению на нем крупных ледяных полей. В качестве такого конструктивного мероприятия может использоваться, например, стеснение потока в виде неполностью разобранной по фронту или высоте перемычки. Гидравлические условия пропуска ледохода при их осуществлении аналогичны изложенным выше.

2.11. Данные о пропуске ледоходов через сооружения гидроэлектростанций России и СНГ даны в Приложении 2.