Калугина_Шлюзованные системы ВВП. Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Омский институт водного транспорта филиал
 Скачать 3.9 Mb.
|
|
1.1.3 Комплексное использование стока рек Вода в природе может быть использована одновременно для различных целей. Например, река может быть и водным путем и источником получения электроэнергии, служить источником для орошения сельскохозяйственных земель и водоснабжения населенных пунктов и т. п. Использование водных ресурсов для удовлетворения потребностей отраслей народного хозяйства называют комплексным. В водном хозяйстве различают водопотребителей и водопользователей. Водопотребитель использует воду с изъятием ее из водоема (водотока) безвозвратно или с последующим частичным или полным возвратом, но в измененном состоянии, например при орошении полей. Водопользователь использует воду без ее изъятия из водоема (водотока) или с полным возвратом ее в водоем (водоток) в том же состоянии. Например, вода, использованная для выработки электрической энергии на гидроэлектростанциях, снова возвращается в реку. Для большинства основных водопотребителей и водопользователей требуется устройство водохранилищ. В них заинтересованы водоснабжение, гидроэнергетика, водный транспорт, орошение и т. п. Поэтому в большинстве случаев на реках строят водоподпорные сооружения комплексного назначения, а созданное ими водохранилище служит для удовлетворения потребностей нескольких отраслей народного хозяйства. Водоподпорные сооружения и водохранилище в таких случаях принято называть водохозяйственным комплексом. Однако требования водопотребителей и водопользователей часто находятся в противоречии. Так, для гидроэлектростанций вода требуется в большей мере зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая, а для орошения земель вода необходима летом. Для судоходства необходимы, возможно более постоянные попуски воды из водохранилища в период всей навигации. В постоянных попусках заинтересовано, как правило, промышленное и коммунальное водопотребление. 1.1.4 Основные характеристики водохранилищ Искусственные водоемы — водохранилища — создают, перегораживая русло и долину реки водоподпорными сооружениями. 10 Рис.2 Характеристики водохранилища Водохранилища на реках равнинного типа вследствие малого уклона рек и пологих берегов отличаются значительным протяжением, достигающим 200—300 км, и большой шириной, доходящей до 40— 50 км. Нормальным подпорным уровнем (НПУ) называют наивысший уровень водной поверхности водохранилища, который по условиям устойчивости подпорных сооружений может поддерживаться ими длительное время. Форсированным подпорным уровнем (ФПУ) называется кратковременный уровень водной поверхности водохранилища, который может быть допущен при очень больших половодьях и летних паводках, имеющих очень малую вероятность наступления. Уровень наинизшей сработки (УС) называют уровнем мертвого объема (УМО). Объем воды в водохранилище, заключенный между НПУ и УС, называют полезным объемом водохранилища, a h cv — глубиной сработки водохранилища. Объем воды, находящийся ниже уровня сработки, не участвует в регулировании стока, и поэтому его обычно называют мертвым объемом. Полезный и мертвый объем совместно составляют полный объем, называемый емкостью водохранилища. Объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ называется резервным и используется для трансформации паводков и половодья. При ФПУ емкость водохранилища будет равна сумме его полезного, резервного и мертвого объемов. Обычно при регулировании стока водохранилищем зарегулированный сток или расход воды через здание гидроэлектростанции и другие сооружения гарантируется с соответствующей обеспеченностью. Обеспеченностью данной величины стока (расхода) называется относительное число случаев, когда наблюдается данная или большая 11 величина. Обеспеченность выражают в процентах общего числа случаев. Например, если годовой сток объемом 2 км 3 гарантируется обеспеченностью 95%, то это значит, что 95% всех лет сток будет равен или больше 2 км 3 , а в остальные 5% лет годовой сток будет меньше 2 км 3 Обеспеченность по числу бесперебойных лет принимается по установленным нормативам в пределах: для крупных гидроэлектростанций 85—98%; для водного транспорта 80—95%; для орошения сельскохозяйственных земель 75—85%. Подпор, созданный гидроузлом, распространяется вверх по реке на значительное расстояние и вызывает затопление земель в верхнем бьефе. Затопление может быть: постоянное, которое соответствует УМО; долговременное, соответствующее НПУ; кратковременное, возникающее в период половодья и соответствующее ФПУ. Кривые подпора для разных уровней верхнего бьефа рассчитывают методами гидравлики. Постоянное и долговременное затопления вызывают потерю сельскохозяйственных угодий, лесов, полезных ископаемых, перенос на новое место населенных пунктов, переустройство транспортных, водопроводных и других сооружений. В некоторых случаях оказывается целесообразным не переносить крупные предприятия и населенные пункты, а защитить их земляными валами от затопления. Подъем уровня воды в верхнем бьефе вызывает и подъем уровня грунтовых вод в прибрежной зоне, что может повлечь за собой подтопление — заболачивание местности и затопление подвальных помещений в населенных пунктах. Для защиты территорий от подтопления грунтовыми водами устраивают дренажи с самотечным или механическим осушением. Создание водохранилищ с большой открытой водной поверхностью приводит к образованию на них под действием ветра волн значительной высоты, достигающих иногда 3—4 м. Это осложняет условия судоходства, так как позволяет плавать только судам озерного типа (класса «О») и вызывает необходимость строительства портов-убежищ, где суда и буксируемые плоты могут укрываться во время штормов. Создание водохранилища изменяет ледовый режим: образование сплошного ледяного покрова наступает раньше, а таяние льда происходит позже, чем при естественном состоянии реки, что сокращает продолжительность навигации. Хотя современные грузовые озерные и речные суда, не имеющие ледового класса, могут самостоятельно плавать при толщине льда до 15 см, однако в начальный и конечный периоды навигации суда проводят по водохранилищу ледоколы. Водохранилища, регулирующие речной сток, аккумулируют воду и ее тепло. Благодаря выпуску в нижний бьеф воды с положительной температурой, ледяной покров в реке ниже гидроузла не образуется на 12 значительном расстоянии, измеряемом иногда десятками километров, что способствует продлению навигации. 1.1.5 Водный баланс водохранилища и порядок использования его водных ресурсов Проектом каждого крупного водохранилища определяются основные его параметры, к которым относятся: нормальный и. форсированный подпорные уровни, уровень сработки, полезный объем водохранилища, объем годового стока реки в створе гидроузла и его использование для гидроэнергетики, судоходства, водоснабжения, орошения и других нужд. Для учета и планирования водных ресурсов ведут систематические наблюдения за уровнями воды в водохранилище. На основе этих наблюдений вычисляют объем воды в водохранилище, устанавливают размеры отпуска воды потребителям, режим работы гидроэлектростанции и других водосбросных сооружений. Водохозяйственный баланс водохранилища состоит из следующих элементов: притока воды в водохранилище, забора воды водопотребителями и водопользователями (гидроэнергетика, шлюзование, водоснабжение, лесосплав, орошение и т. д.), потерь на испарение и на фильтрацию в грунт. При планировании водных ресурсов водохранилища учитываются потребности всех водопотребителей (водоснабжение, работа судоходных шлюзов и гидроэлектростанции, орошение и т. д.). План водного хозяйства на следующий год составляют в апреле — мае текущего года. Поэтому при составлении плана ориентируются на водность (приток реки) планируемого года 65-процентной обеспеченности, при этом учитывают ожидаемый к началу расчетного года запас воды в водохранилище. Водные ресурсы водохранилища используют в соответствии с правилами его эксплуатации. оосновные положения этих правил в общих чертах сводятся к следующему: водохранилище следует наполнять во время половодья; к началу половодья должна быть закончена предвесенняя сработка водохранилища до уровней, обеспечивающих как последующее наполнение водохранилища весенними водами до нормального подпорного уровня, так и минимальные холостые сбросы воды через плотину. Гидроэлектростанции при водохранилищах с годичным или многолетним распределением стока во время пропуска половодья работают, как правило, на полную мощность, чтобы избежать холостых сбросов. Требование судоходства в навигационный период на транзитном водном пути, включающем водохранилище и нижележащий участок реки, 13 заключается в обеспечении заданных гарантийных глубин, нужных для бесперебойного движения современных крупных грузовых и пассажирских судов на всей трассе водного пути. Для соблюдения этого условия необходимо в течение всей навигации, во-первых, уровни водохранилища поддерживать в пределах установленных уровней, обеспечивающих гарантийные глубины на водохранилище, во вторых, в нижний бьеф плотины через гидроэлектростанцию сбрасывать расходы воды, обеспечивающие эти же гарантийные глубины на нижележащем участке реки. График работы гидроэлектростанции должен составляться с таким расчетом, чтобы среднесуточные расходы воды через гидроэлектростанцию были не меньше установленной проектом величины, обеспечивающей гарантированные глубины ниже по реке и в нижнем бьефе судоходного шлюза, входящего в состав того же гидроузла, что и гидроэлектростанция. В период зимней и предвесенней сработки водохранилища требование речного транспорта состоит в том, чтобы эта сработка не была ниже уровней, предусмотренных правилами. Это необходимо потому, что при более низких уровнях водохранилища суда, находящиеся на зимнем отстое в затонах, расположенных в пределах водохранилища, могут сесть на дно и получить повреждения. 1.1.6 Аванпорты и предшлюзовые рейды На гидроузлах при крупных водохранилищах для обработки транспортного флота создаются специальные акватории (аванпорты), огражденные от действия волн, возникающих на водохранилище, путем устройства оградительных сооружений в виде волноломов или молов. Здесь, как правило, располагаются береговые и рейдовые причалы грузопассажирского порта пароходства, а также пере формировочные (предшлюзовые) рейды шлюза. Рис.3 Схема аванпорта. 14 1 — мол; 2 — волнолом; 3 — рейды нефтегрузов; 4 — пассажирский причал; 5 — рейды сухогрузов; 6 — плотина;7 — шлюзы; 8 — рейды плотов Схема аванпорта и его оградительных сооружений выбирается с учетом обеспечения безопасных и удобных условий входа и выхода из аванпорта составов судов, отстоя их во время шторма, производства переформирования составов и плотов, а также перемещения флота в пределах аванпорта. Вход в аванпорт должен иметь ширину, достаточную для свободного прохода составов при наибольшей волне, отвечающей условиям плавания по водохранилищу расчетных судов и составов. Места стоянки судов в аванпорту и у причалов выбираются с расчетом защиты их от волны, проникающей из водохранилища в аванпорт через его вход. Тип оградительного сооружения выбирается в зависимости от интенсивности волнения, глубин в аванпорту, направления наиболее часто повторяющихся (господствующих) ветров на водохранилище, условий производства работ, потребностей в использовании волнолома или мола для производства грузовых или пере формировочных операций и т. п. (Принципиальная разница между молом и волноломом в том, что, мол, одним своим концом выходит в водохранилище, а другим врезается в коренной берег или плотину; волнолом представляет собой искусственный остров, располагаемый по пути движения наиболее вероятной волны из водохранилища). Молы и волноломы, как правило, устраиваются в виде земляных дамб с креплением откосов каменной наброской или бетонными плитами. В отдельных случаях, при особо неблагоприятном ветро - волновом режиме водохранилища, оградительные сооружения возводятся из каменной отсыпки или из бетонных монолитов. Речные составы, подошедшие к шлюзу (особенно плоты), зачастую имеют большие габариты, чем те, на которые рассчитана камера шлюза. Поэтому такие составы необходимо переформировывать. Эта операция производится на специальных пере формировочных рейдах, устраиваемых с каждой стороны перед шлюзом или группой шлюзов на данном водном пути. Пред шлюзовые (пере формировочные) рейды располагаются таким образом, чтобы было возможно безопасное и непрерывное ведение работ по переформированию составов и плотов в местах, достаточно (естественно или искусственно) защищенных от ветровой волны и течения. Поэтому, если перед шлюзами расположен аванпорт, эти рейды располагают внутри него, в противном случае— на ближайшем плесе. На пред шлюзовых рейдах отводятся отдельные акватории для ремонта плотов (в верхнем бьефе — для плотов, прибывших после следования их по водохранилищу), формирования секций плотов с целью шлюзования, сухогрузных и наливных судов. Для нефтеналивных судов на реке рейды 15 размещаются, исходя из условий пожарной безопасности, ниже других по течению, в верхнем бьефе, на расстоянии, безопасном для других судов в случае пожара на каком-либо нефтеналивном судне. Рейды сухогрузных судов, следующих вверх и вниз, размещают в аванпорту, как правило, рядом, а рейды переформирования плотов — вдоль оградительных сооружений. Площадь акватории рейдов для каждого вида судов определяется наибольшим числом составов, которые могут на нем одновременно переформироваться и ожидать шлюзования. 1.1.7 Гидроэлектростанции и их характеристики Гидроэлектростанция предназначена для преобразования энергии падения воды в электрическую энергию. Для работы гидроэлектростанции необходимы расход воды Q и сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор Н. Основным рабочим органом гидроэлектростанции является гидроагрегат, состоящий из турбины, генератора, подводящих и отводящих водоводов. В этих элементах возникают гидравлические, механические и тепловые потери, которые оценивают суммарным коэффициентом полезного действия (к. п. д.) Суммарную наибольшую мощность гидроэлектростанции называют ее установленной мощностью. Выработка электрической энергии равна произведению мощности (кВт) на продолжительность ее использования (ч) и выражается в киловатт-часах (кВт-ч). По напору гидроэлектростанции могут быть условно подразделены на: высоконапорные, средненапорные, и низконапорные. По схеме использования водного источника и способу создания напора различают приплотинные, деривационные, гидроаккумулирующие и приливные гидроэлектростанции. Приплотинной гидроэлектростанцией называется такая, напор которой создается посредством плотины. 16 Здание приплотинной гидроэлектростанции, которое наряду с плотиной создает и непосредственно воспринимает напор, называется зданием подпорного типа. В этом случае оно должно удовлетворять требованиям в отношении устойчивости, предъявляемым к плотинам. Такой тип здания применяют при сравнительно небольших напорах на реках с незначительными уклонами, например на Волге, Каме, Днепре, Дону. Рис.4 Приплотинная гидроэлектростанция со зданием подпорного типа: 1 — здание гидроэлектростанции; 2 — водосливная плотина; 3 — глухая плотина Здание приплотинной гидроэлектростанции, расположенное внутри тела плотины или совмещенное с плотиной или водосбросом называется зданием совмещенного типа. Такой тип здания гидроэлектростанции применяют при средних и высоких напорах — от 25 до 300 м. Подвод воды к турбинам осуществляют трубопроводами, размещенными в теле бетонной плотины, как это, например, сделано на самых мощных в мире Красноярской и Братской ГЭС. Рис.5 Приплотинная гидроэлектростанция со зданием совмещенного типа: 1 — водосливная плотина; 2 — станционная плотина; 3 — здание гидроэлектростанции 17 При деривационной гидроэлектростанции высота плотины может быть небольшой, необходимой лишь для отвода воды из реки в деривацию. При этом сосредоточенный напор, получается из-за того, что деривационный водовод вдоль реки имеет меньший уклон, чем река. Схема гидроэлектростанции с деривацией в виде открытого канала приведена на рис. Здесь плотина создает небольшой подпор. Из подпорного бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам, установленным в здании гидроэлектростанции. Такая схема обычно применяется на горных реках, имеющих значительные уклоны. Рис.6 Схема деривационной гидроэлектростанции: 1 — плотина; 2— деривационный канал; 3— напорный бассейн; 4 — трубопроводы; 5 — здание гидроэлектростанции; 6 — закрытая трансформаторная подстанция; 7 — река Гидроаккумулирующая гидроэлектростанция состоит из двух бассейнов (верхнего и нижнего), соединенных напорным трубопроводом, у нижнего конца которого в нижнем бассейне расположено здание гидроэлектростанции с обратимыми агрегатами, которые могут работать либо в режиме генератора, либо в режиме насоса. В ночные часы при избытке мощности в энергосистеме гидроаккумулирующая электростанция работает в насосном режиме, накачивая воду из нижнего бьефа в верхний. При этом режиме генератор работает как электродвигатель, получая энергию от сети. В часы пик в энергосистеме эта гидроэлектростанция работает в генераторном режиме, срабатывая запасы воды в верхнем бассейне и отдавая электроэнергию в сеть. Приливные гидроэлектростанции используют энергию морских приливов и отливов, которые обычно происходят два раза в сутки и достигают в узких заливах величины 10—15м. При использовании энергии морских приливов устраивают обычно один бассейн, отделенный от моря плотиной с водопропускными отверстиями и зданием гидроэлектростанции. В здании устанавливают турбины одностороннего |