RU2639046C2

RU2639046C2 - Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции

Info

Publication number: RU2639046C2
Application number: RU2015153658A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Михеев
Original assignee: Александр Александрович Михеев
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-12-19
Also published as: RU2015153658A

Abstract

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к водосбросам и может быть использовано для регулирования уровня воды в водоемах, грозящих наводнением, например на реках Зея, Амур и других подобных водоемах. Также для переброски паводковых вод из Зейского водохранилища в нижний бьеф для достижения 310 метров Н.У.М. к 1 августа, чтобы водосбросы не причиняли вреда основанию Зейской плотины. Эксплуатационный поверхностный водосброс на Зейской ГЭС дополнен по меньшей мере одним классическим акведуком, при этом акведук функционально является продолжением эксплуатационного поверхностного водосброса. Сопряжение с акведуком выполнено выше трамплина эксплуатационного поверхностного водосброса. Акведук, от сопряжения с лотком эксплуатационного поверхностного водосброса до достижения горизонтального положения акведука, имеет плавную кривизну, обеспечивающую возможность проходить водотоку без брызг, то есть ровным потоком до водовыпуска, который выполнен на значительном расстоянии от основания плотины. Акведук на всем протяжении жестко закреплен к несущим опорам. Сами акведуки выполнены из нержавеющей стали, или любого известного нержавеющего металла, или металла с антикоррозийным покрытием и/или бетона и/или железобетона и являются монолитными, или сборными, или сборно-монолитными. Акведуки в стенках имеют патрубки, которые установлены в стенках акведука под углом 45°±25°, при этом патрубок изогнут относительно акведука поперек течения реки, вода входит в патрубок под углом 45°±25°, а выходит из патрубка под углом 80°±25°. Патрубки установлены с таким расчетом, что струи воды, выходящие из соседних акведуков, сталкиваются друг с другом и происходит гашение энергии воды и замедление ее скорости. Скорость водотока падающей воды и отводимой посредством акведука равна 30-50 м/сек. Если этот поток не затормозить до скорости течения реки (2-3 м/сек), то этот поток принесет значительные разрушения на береговой линии реки, а также будет угрожать находящимся в русле реки судам. Главная цель изобретения, это рациональное распределение водных ресурсов и предотвращение наводнений. Технической задачей является снижение уровня водохранилищ и защита основания плотины от разрушения. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Конструкция относится к гидротехнике, а именно к водосбросам на плотинах Гидроэлектростанций и может быть использована для регулирования уровня воды в водоемах грозящих наводнением, например на реках Зея, Амур и других подобных водоемах. Также для переброски паводковых вод реки Зея из Верхнего бъефа, то есть из Зейского водохранилища, в нижний бъеф, чтобы водосбросы не причиняли вреда основанию Зейской плотины.

Известно - на многих ГЭС Водосброс (1*) Пояснения терминов в конце описания) построен по традиционной для отечественной энергетике схеме с отбросом струи с трамплина и гашением ее энергии в яме размыва. Пример Зейская ГЭС (7*). Зейское водохранилище построено таким образом, что открывать затворы при уровне воды ниже отметки 317,5 метра запрещено. Вода по водосбросу должна падать от плотины только в определенном месте - в зоне воронки размыва. Это место укреплено, защищено и забетонировано. Если уровень воды в водохранилище меньше, то струя воды не долетает до воронки и создается дополнительная нагрузка на основание самой плотины - ее попросту размывает. Найдено в интернет URL: http://old.amur.info/news/2013/08/13/16.html. Недостатками данного водосброса являются: (в качестве примера плотина Зейской ГЭС) невозможность снижения уровня Зейского водохранилища до требуемых 310 м Н.У.М. При этом «РусГидро» собирается пересмотреть режим работы ГЭС во время наводнений, для того чтобы сделать сброс воды более плавным. «Зейская ГЭС была построена в 70-е годы, но с тех пор произошло изменение климата, так что теперь мы имеем три аномальных паводка за десять лет, хотя они должны были произойти за 100 лет.

- крупнейшая река бассейна Амура. По глубине, ширине и водостоку превосходит Амур в месте слияния рек, но исторически считается его левым притоком.

Длина: 1242 км Площадь бассейна: 233000 км².

Сейчас по техническим причинам и согласно правилам эксплуатации гидроэлектростанция может сбрасывать 3600 куб. м/с, когда вода в водохранилище достигнет отметки 317,5 м, а затем - 7500 куб. м/с, когда вода поднимется до 319,3 м. Ограничения отметки 317,5 м Н.У.М. из-за нанесения вреда основанию плотины. Плотинам ГЭС, в т.ч. Зейской, вредны вибрации, создаваемые трамплинным водосбросом, и всевозможные подводные течения, вымывающие грунт из-под основания плотины.

Наиболее близким является «Эксплуатационный водосброс плотины» Патент №144821. В предлагаемом водосбросе изменена траектория движения воды.

Трамплин Зейской ГЭС исключается из конструкции водосброса. К лотку водосброса плотно примыкает новый дополнительный желоб, по которому вода меняет угол своего хода на плавный (в отличие от трамплина), и по новому желобу вода идет на значительное расстояние от основания плотины. Водоспуск производится на расстоянии 300-500 и более метров от основания плотины. В сопряжении акведука с каналом возводятся подпорные стенки, которые служат одновременно и направляющими водный поток. Акведук имеет прочное водонепроницаемое и плавное сопряжение с лотком водосбросного пролета. Зейская ГЭС. Основные показатели и характеристики водосброса Зейского гидроузла: Отметка порога эксплуатационного поверхностного водосброса 309 м; Количество секций эксплуатационного водосброса - 8 секций с водосливными пролетами шириной по 12 м. Максимальная пропускная способность для водосброса в проектных условиях составляет 9500 кубометров в секунду. По одному пролету водосброс составляет около 1200 кубометров в секунду.

Источник URL: http://www.zges.rushydro.ru/press/news-materials/FA555A2/FA555B4

Недостатком данного водосброса (Патент №144821) является отсутствие торможения скорости водотока, после отведения падающей воды посредством акведука на значительное расстояние от основания плотины. Скорость водотока падающей воды и отводимой посредством акведука равна 30-50 м/сек. Если этот поток не затормозить до скорости течения реки (2-3 м/сек), то он принесет разрушения на береговой линии реки, а также будет угрожать находящимся в русле реки людям и судам до впадения в реку Амур.

Технической задачей является:

1. Снижение скорости водотока до скорости течения реки, после отведения падающей воды посредством акведука на значительное расстояние от основания плотины.

2. Выработка дополнительной электроэнергии от кинетической энергии воды.

Поставленная задача обеспечивается тем, что акведуки на всем протяжении выполнены с возможностью равномерного расходования водотока до водовыпуска, или на водовыпуске акведука установлен машинный зал с энергоблоком или энергоблоками, вырабатывающими электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса.

Вариант - 1. Дополнительный Желоб является классическим Акведуком.

Модернизированный водосброс плотины Гидроэлектростанции дополнен классическим акведуком (или акведуками), при этом акведук функционально является продолжением эксплуатационного поверхностного водосброса и сбрасывает воду далеко от основания плотины, тем самым предотвращая разрушение основания плотины.

На рис. 1 и рис. 2 показана новая конструкция «Модернизированного водосброса плотины Гидроэлектростанции», в данном случае на плотине Зейской ГЭС (7*).

Высокая плотина 1, гребень плотины 2, водосбросные пролеты 3, трамплин отбрасывающий воду 4, сопряжение пролетов с акведуком 5, часть акведука, имеющего плавную кривизну 6 (между лотком водосброса и горизонтальной частью акведука), Акведук 7 расположен параллельно течению реки, борта акведука 8, водовыпуск 9, железобетонные или металлические опоры акведука 10, Водохранилище (верхний бъеф) 11 и река (нижний бъеф) 12, На рис. 2 дополнительно машинный зал 14, турбина 15.

Работа водосброса осуществляется следующим образом.

Водосброс на Зейской ГЭС построен по традиционной для отечественной энергетики схеме с отбросом струи с трамплина и гашением ее энергии в яме размыва. Здесь вода под напором идет на лотки и устремляется вниз. Предлагаемый водосброс плотины Гидроэлектростанции, в котором вода из водохранилища через створки плотины поступает в лотки 3, расположенные на теле плотины 1, и устремляется вниз, дополнен классическим акведуком 7, при этом акведук функционально является продолжением эксплуатационного поверхностного водосброса, сопряжение с акведуком выполнено выше трамплина 4 эксплуатационного поверхностного водосброса, при этом акведук, от сопряжения с лотком эксплуатационного поверхностного водосброса до достижения горизонтального положения акведука 7, имеет плавную кривизну 6, обеспечивающую возможность проходить водотоку без брызг, то есть ровным потоком до водовыпуска 9, выполненного на значительном расстоянии от основания плотины, при этом акведук жестко на всем протяжении жестко закреплен к несущим опорам. Акведуки в днище и/или в стенках имеют продольные отверстия для равномерного выпуска воды, на всем протяжении акведука. Дно и стенки акведука выполнены из нержавеющего металла, например стали, или металла с антикоррозийным покрытием и/или бетона и/или железобетона и являются монолитными или сборными или сборно-монолитными.

Один водосливной пролет сопряжен с одним акведуком или несколько водосливных пролетов сопряжены с одним акведуком, соразмерным транспортируемому потоку воды. Опоры акведука 10 имеют жесткое крепление с акведуком 7, благодаря чему не допускаются вибрации. Акведуки выполнены из нержавеющего металла, например стали, или металла с антикоррозийным покрытием или железобетона и являются монолитными или сборно-монолитными.

На некоторых ГЭС, где глубина водоема нижнего бьефа большая и установка железобетонных или металлических опор для акведука является сложным, или нет времени для установки капитальных свай, предлагается установка акведука на понтоны или понтонный мост. В этом случае Эксплуатационный водосброс плотины, в котором вода из водохранилища через створки плотины поступает в лотки, расположенные на теле плотины и устремляется вниз, имеет водовыпуск на значительном расстоянии от основания плотины, при этом акведук, от сопряжения с лотком эксплуатационного поверхностного водосброса до достижения горизонтального положения акведука, имеет плавную кривизну, обеспечивающую возможность проходить водотоку без брызг, то есть ровным потоком до водовыпуска, при этом акведук жестко закреплен к основанию лотка поверхностного водосброса, а далее на всем протяжении жестко закреплен к удерживающим акведук на плаву понтонам или понтонному мосту, при этом понтоны на всем протяжении закреплены к береговой части реки, например металлическими штангами, переходная часть акведука, выполненная с плавной кривизной при выходе на горизонтальную линию выполнена из секций имеющих шарнирное соединение, при этом угол раскрываемости секций не менее 180°. В поперечном измерении секции выполнены по размеру и профилю акведука, а в продольном измерении общая длина секций позволяет производить водосброс при достижении как самого низкого уровня реки, так и самого высокого уровня реки исходя из амплитуды сезонных перепадов уровня нижнего бьефа. Секции выполнены из нержавеющего металла, например: стали или металла с антикоррозийным покрытием или железобетона, и являются монолитными и/или сборными.

1-й вариант: Чтобы снизить скорость воды водосброса до скорости течения реки (2-3 м/сек), в днище и стенках акведуков выполнены отверстия продольной формы, параллельные водотоку, через которые вода из акведуков 7 равномерно выливается в реку 12, при этом происходит гашение энергии водотока через столкновение с потоками реки 12 и в итоге предотвращается ускорение течения реки. До конца акведуков расходуется весь поток воды и гасится энергия водотока, идущего по акведуку.

2-й вариант: В стенках акведуков выполнены патрубки изогнутой формы 9 (чтобы не загромождать рисунок, показаны только на крайних акведуках). Патрубки установлены в стенках акведука под углом 45°±25° относительно стенок акведука, с целью максимального количества отводимой воды. Патрубок 9 изогнут, с целью изменить направление отводимой воды. Вода из акведуков входит в патрубок под углом 45°±25°, а выходит из патрубков под углом 80°±25° относительно стенок акведука. Это примерно поперек течения реки. Струи из патрубков направлены друг на друга с целью гашения энергии водотока. В итоге предотвращается ускорение течения реки. До конца акведуков вода расходуется и почти не доходит.

Расчеты объемов водосброса: Для пропуска паводков на Зейской ГЭС предусмотрено 8 поверхностных водосбросных пролетов. Максимальная пропускная способность для водосброса в проектных условиях составляет 9500 кубометров в секунду, то есть через один пролет проходит около 1200 куб.м/сек. Чтобы снизить уровень Зейского водохранилища с 317 метров Н.У.М. (над уровнем моря) до 310 м Н.У.М. к 1 августа, надо сбросить 15 куб/км воды за 60 дней. Новая конструкция позволяет сбрасывать воду без вреда для основания плотины. По одному водосбросному пролету проходит около 1200 кубометров в секунду. По трем водосбросным пролетам проходит 3500 куб.м/сек. В сутки будет сброшено 3500 куб.м/сек ⋅ 86400 сек = 302400000 куб. метров воды. За (июнь-июль) 60 дней будет сброшено 18144000000 кубических метров воды (18 миллиардов 144 миллиона кубических метров воды). То есть более 18 кубических километров воды. Если выполнить акведуки ко всем 8-ми пролетам, то скорость снижения уровня Зейского водохранилища будет следующей:

По 8-ми водосбросным пролетам проходит 9600 куб.м/сек. В сутки будет сброшено 9600 куб.м/сек ⋅ 86400 сек = 829440000 куб. метров воды. За 22 дня будет сброшено 18247000000 кубических метров воды (18 миллиардов 247 миллиона кубических метров воды). То есть более 18 кубических километров воды. Вода сбрасывается до начала наводнения, до начала дождей, то есть с 1-го июня до 25 июля.

При гипотетическом применении этой системы в Амурском регионе в 2013 году, уровень наводнения был бы не 9 метров, а 6,5 метров, что является значительным снижением. У Зейского водохранилища появляется возможность аккумулированмя паводковых вод 20 куб/км (с 310 метров Н.У.М до 319 метров Н.У.М), это на 15 куб/км больше, чем сейчас (с 317 метров Н.У.М до 319 метров Н.У.М). В настоящее время у Зейского водохранилища есть возможность аккумулирования паводковых вод 5 куб/км. То есть противопаводковые возможности Зейского водохранилища увеличатся в 4 раза.

3-й вариант: «Эксплуатационный водосброс плотины Гидроэлектростанции» дополнен классическим акведуком, который функционально является продолжением эксплуатационного поверхностного водосброса, сопряжение с акведуком выполнено выше трамплина эксплуатационного поверхностного водосброса, при этом акведук 7, от сопряжения с лотком 3 поверхностного водосброса до достижения горизонтального положения, имеет плавную кривизну 6, обеспечивающую возможность проходить водотоку без брызг, то есть ровным потоком до водовыпуска, который выполнен на значительном расстоянии от основания плотины, при этом акведук 7 на всем протяжении жестко закреплен к несущим опорам, а сами акведуки выполнены из нержавеющего металла, например из стали, или металла с антикоррозийным покрытием и/или бетона и/или железобетона, и являются монолитными или сборными или сборно-монолитными, на водовыпуске 9 установлен машинный зал 14 с энергоблоком 15 или энергоблоками, вырабатывающими электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса. Машинный зал с энергоблоком, вырабатывающим электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса установлен на водовыпуске одного акведука или нескольких акведуков.

Рис 2. Скорость водотока падающей воды и отводимой посредством акведука равна 30-50 м/сек. Если этот поток не затормозить до скорости течения реки (2-3 м/сек), то этот поток принесет значительные разрушения на береговой линии реки, а также угрожает находящимся в русле реки судам.

Для торможения потока воды до скорости течения реки (2-3 м/сек), на водовыпуске установлен машинный зал 14 с энергоблоком или энергоблоками 15, вырабатывающими электроэнергию от кинетической энергии воды данного водосброса.

Быстрый водный поток, пройдя через лопасти гидравлической турбины 15, значительно затормозит свою скорость, примерно до скорости течения реки (2-3 м/сек), после чего река станет безопасной. Также в ходе этого действия производится выработка дополнительной электроэнергии. Вода сбрасывается далеко от плотины.

Во время летних дождей июнь - сентябрь мимо турбин Зейской ГЭС проходит 18 кубических километров воды (холостой водосброс). Скорость водотока, отводимого посредством акведука, равна 30-50 м/сек. Если этот поток не затормозить до скорости течения реки (2-3 м/сек), то он принесет разрушения на береговой линии реки, а также угрожает находящимся в русле реки людям и судам до впадения в реку Амур. Проходя через энерготурбины 15, будет вырабатываться дополнительная электроэнергия от кинетической энергии воды данного водосброса. 18 кубических километров воды при скорости водотока, отводимого посредством акведука, равна 30-50 м/сек содержат в себе энергии примерно в 5 раз меньше, чем вырабатывает Зейская ГЭС. Прибавка 20% электроэнергии к выработке Зейской ГЭС является значительной. Холостой водосброс - это бесхозяйственность. Ни один кубометр воды не должен проходить мимо турбины.

Расход воды через турбины Зейской ГЭС: 1800 м³/сек. Средний многолетний годовой сток р. Зея - от 65-72,5 куб. км.

1 час = 3600 сек. Сутки: 3600⋅24 = 86400 сек. Год: 86400⋅365 = 31536000 сек.

1800 куб/сек ⋅ 31536000 сек = 155520000 куб. метров

Через турбины Зейской ГЭС проходит 1800 куб/сек. В сутки через турбины пройдет 1800 куб.м/сек X 86400 сек = 155520000 куб. метров

31536000 сек ⋅ 1800 куб/сек = 56764800000 куб. метров в год проходит через турбины Зейской ГЭС.

Из-за изменения климата некоторые годы стали более дождливыми. Это объясняется тем, что повышение температуры на планете вызывает большую испаряемость океанов, особенно в экваториальной зоне. Далее эта испарившаяся вода, дойдя до Саянских гор, из-за перепада температур обрушивается на Саяны и Алтайский край. Вследствие этого возникают более масштабные наводнения. Например: Амурский регион в 2013 году. Алтайский край в 2014 и 2015 годах.

Главная цель данных устройств - это рациональное распределение водных ресурсов, предотвращение стихийных бедствий и получение дополнительной электроэнергии.

Водосброс - водосбросное сооружение - гидротехнич. сооружение для сброса излишней (паводковой) воды из водохранилища, а также для полезных пропусков воды в ниж. бьеф. Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.

Найдено в интернет URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnie/1445/%D0%92%

СО 34.21.308-2005 Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения

3.6.7. поверхностный водосброс: Водосброс с незамкнутым поперечным сечением, расположенный на поверхности плотины или берегового склона.

Примечание. В зависимости от места его размещения может быть русловым, береговым, пойменным.

Источник: http://www.znaytovar.ru/gost/2/SO_34213082005_Gidrotexnika_Os.html

- гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток или водоем для подъема уровня воды. Также служит для сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища.

Найдено в интернет URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%

АКВЕДУК

(мост - водовод) - мост, несущий лоток (трубопровод), к-рый является частью водовода (канала или трубопровода) и переводит водоток через овраг, ущелье, реку, дорогу.

Лит.: Справочник по гидротехнике, М., 1955; Гришин М.М., Гидротехнические сооружения, Найдено в интернет URL: http://rushydro.livejournal.com/298984.html

«Зейская ГЭС» Для пропуска паводков на Зейской ГЭС предусмотрено 8 поверхностных водосбросных пролетов. Максимальная пропускная способность для водосброса в проектных условиях составляет 9500 кубометров в секунду + 1300 кубометров в секунду через турбины. Суммарный сбросной расход воды через все водопропускные сооружения гидроузла в проектных условиях составляет 10800 кубометров в секунду. Найдено в интернет URL: http://ria.ru/eco/20130801/953494823.html#ixzz2gTCr8enc

Понтонный мост (8*) - мост, имеющий плавучие опоры-понтоны. Разновидностью понтонного моста является наплавной мост, который не имеет обособленных понтонов - плавучими являются сами пролетные сооружения. Основное применение понтонных мостов - организация временных переправ через водные преграды при аварии или во время ремонта постоянных мостов, в военном деле, при ликвидации последствий стихийных бедствий и других. Однако встречаются и постоянно функционирующие понтонные и наплавные мосты (например в Павлове, Бийске, Уренгое, Спасске, Байконуре).

- плавсредство, служащее для поддержания на воде тяжестей (кранов, копров и т.п.) или являющееся опорой наплавных мостов.

Найдено в интернет URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%DQ%BD%D1%82%D0%BE%D0%BD

Claims

1. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции дополнен по меньшей мере одним классическим акведуком, соразмерным объему транспортируемой воды, который функционально является продолжением эксплуатационного поверхностного водосброса, сопряжение с акведуком выполнено выше трамплина эксплуатационного поверхностного водосброса, при этом акведук, от сопряжения с лотком поверхностного водосброса до достижения горизонтального положения, имеет плавную кривизну, обеспечивающую возможность проходить водотоку без брызг, то есть ровным потоком до водовыпуска, который выполнен на значительном расстоянии от основания плотины, при этом акведук на всем протяжении жестко закреплен к несущим опорам или к понтонам, отличающийся тем, что акведук на всем протяжении выполнен с возможностью постепенного и равномерного расходования водотока до водовыпуска.

2. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что акведуки в днище и/или в стенках имеют на всем протяжении продольные отверстия для равномерного выпуска воды.

3. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что акведуки в стенках имеют патрубки, которые установлены в стенках акведука под углом 45°±25°, при этом патрубок изогнут относительно акведука поперек течения реки, вода входит в патрубок под углом 45°±25°, а выходит из патрубка под углом 80°±25° относительно стенок акведука, при этом патрубки установлены с таким расчетом, что струи воды, выходящие из соседних акведуков, направлены друг на друга.

4. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что дно и стенки акведука выполнены из нержавеющего металла, например стали, или металла с антикоррозийным покрытием и/или бетона и/или железобетона и являются монолитными, или сборными, или сборно-монолитными.

5. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что акведук на всем протяжении жестко закреплен к удерживающим акведук на плаву понтонам или понтонному мосту.

6. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что несколько водосливных пролетов сопряжены с одним акведуком, соразмерным транспортируемому потоку воды.

7. Эксплуатационный водосброс плотины гидроэлектростанции по п.1, отличающийся тем, что в поперечном измерении секции выполнены по размеру и профилю акведука, а в продольном измерении общая длина секций позволяет производить водосброс при достижении как самого низкого уровня реки, так и самого высокого уровня реки, исходя из амплитуды сезонных перепадов уровня нижнего бьефа, угол раскрываемости секций не менее 180°, при этом понтоны, держащие на плаву акведук и/или акведуки, на всем протяжении закреплены сбоку к береговой части реки, например, металлическими штангами.