Расчеты, исследования, эксперименты

Ðàñ÷åòû, èññëåäîâàíèÿ, ýêñïåðèìåíòû
Ðàçðàáîòêà êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà
Òîëîøèíîâ À. Â., êàíäèäàò òåõí. íàóê (ÎÀÎ “ÐóñÃèäðî”),
Âîëûí÷èêîâ À. Í., ãë. èíæåíåð ïðîåêòà ÁîÃÝÑ (ÎÀÎ “Èíñòèòóò Ãèäðîïðîåêò”),
Ïðîêîôüåâ Â. À., Ñóäîëüñêèé Ã. À., êàíäèäàòû òåõí. íàóê
(ÎÀÎ “ÂÍÈÈÃ èì. Á. Å. Âåäåíååâà”)
Òåõíè÷åñêèé ïðîåêò Áîãó÷àíñêîé ÃÝÑ óñòàíîâëåííîé ìîùíîñòüþ 3000 ÌÂò (äåâÿòü àãðåãàòîâ ïî
333 òûñ. êÂò êàæäûé) ñ âîäîõðàíèëèùåì íà îòì.
208 ì óòâåðæäåí â 1979 ã. ðàñïîðÿæåíèåì Ñîâåòà
Ìèíèñòðîâ ÑÑÑÐ ïî ñîãëàñîâàíèþ ñ Ãîññòðîåì
ÑÑÑÐ. Â 1982 ã. â îñíîâíûå ñîîðóæåíèÿ ãèäðîóçëà
áûë óëîæåí ïåðâûé êóáîìåòð áåòîíà. Ñ 1993 ïî
2005 ã. ñòðîèòåëüñòâî ñîîðóæåíèé ãèäðîóçëà âåëîñü êðàéíå íèçêèìè òåìïàìè.  2006 ã. ïîñëå ðåøåíèÿ î âîçîáíîâëåíèè ñòðîèòåëüñòâà ÁîÃÝÑ èíñòèòóòó “Ãèäðîïðîåêò” (ã. Ìîñêâà) áûëî ïîðó÷åíî
âûïîëíèòü ÷àñòè÷íóþ êîððåêòèðîâêó òåõíè÷åñêèõ
ðåøåíèé ïðîåêòà 1979 ã. Îñíîâíûìè ïðåäïîñûëêàìè äëÿ ÷àñòè÷íîãî ïåðåñìîòðà òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé ÿâèëèñü:
èçìåíåíèå îñíîâíûõ ïîëîæåíèé íîðìàòèâíîé
áàçû äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ ãèäðîòåõíè÷åñêèõ ñîîðóæåíèé;
äåôèöèò ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé ãèäðîóçëà â ïåðèîä ïîñòîÿííîé è
âðåìåííîé ýêñïëóàòàöèè;
íåîáõîäèìîñòü îáåñïå÷åíèÿ ýêñïëóàòàöèîííîé
íàäåæíîñòè âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé è âîçìîæíîñòè ïðîâåäåíèÿ òåêóùèõ ðåìîíòîâ âîäîñáðîñíûõ ñîîðóæåíèé.
Âîäîõîçÿéñòâåííûå è ãèäðîýíåðãåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû, âûïîëíåííûå â ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè
ÑÍèÏ, ïîêàçàëè, ÷òî ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü ãèäðîóçëà â ïåðèîä âðåìåííîé è ïîñòîÿííîé ýêñïëóàòàöèè ìåíüøå, ÷åì òðåáóåòñÿ äëÿ ïðîïóñêà âåñåííåãî ïîëîâîäüÿ è ëåòíå-îñåííåãî ïàâîäêà. Äëÿ ñîõðàíåíèÿ ïðîåêòíûõ çíà÷åíèé ìàêñèìàëüíîãî
óðîâíÿ âîäû â âåðõíåì áüåôå è îáåñïå÷åíèÿ íàäåæíîãî ïðîïóñêà ðàñõîäîâ â íèæíèé áüåô íåîáõîäèìî
óâåëè÷åíèå ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè ãèäðîóçëà çà
ñ÷åò óñòðîéñòâà âîäîñáðîñà ¹ 2 äîïîëíèòåëüíî ê
ñóùåñòâóþùåìó è ÷àñòè÷íî âîçâåäåííîìó âîäîñáðîñó ¹ 1.
Ïîëîæåíèå âîäîñáðîñà ¹ 2 â ïðîåêòå ïðèíÿòî
íà ó÷àñòêå íåäîñòðîåííûõ ñåêöèé ¹ 20 – 22 áåòîííîé ïëîòèíû, ðÿäîì ñ ÷àñòè÷íî ïîñòðîåííûì âîäîñáðîñîì ¹ 1, ñ èñïîëüçîâàíèåì âûïîëíåííîãî êîòëîâàíà ïîä ïðåäïîëàãàåìîå ñòðîèòåëüñòâî àãðåãàòîâ ¹ 10 – 12 çäàíèÿ ÃÝÑ (ðåøåíèå îá îòìåíå
ñòðîèòåëüñòâà óêàçàííûõ àãðåãàòîâ ïðèíÿòî ïîñëå
2
îòðàáîòêè êîòëîâàíà). Â ïðîåêòå ðàññìîòðåíî òðè
âàðèàíòà êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2, êîòîðûå îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà â îñíîâíîì ñïîñîáîì ãàøåíèÿ ýíåðãèè ñáðîñíîãî ïîòîêà.  äâóõ âàðèàíòàõ
êîíñòðóêöèè ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ ãàøåíèå ýíåðãèè
ïîòîêà â âîäîáîéíîì êîëîäöå, à â òðåòüåì — èñïîëüçóåòñÿ ñõåìà ñ îòáðîñîì ïîòîêà â íèæíèé áüåô çà
ïðåäåëû âîçâîäèìûõ ñîîðóæåíèé.
 ãèäðîòåõíè÷åñêîì ñòðîèòåëüñòâå âîïðîñû ýôôåêòèâíîãî ãàøåíèÿ èçáûòî÷íîé ýíåðãèè ïîòîêà è
áîðüáû ñ ýðîçèåé ïîâåðõíîñòè âîäîïðîïóñêíûõ ñîîðóæåíèé âî ìíîãîì îïðåäåëÿþò èõ êîíñòðóêöèþ.
Ïðåäâàðèòåëüíûé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî óñòðîéñòâî
ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà ¹ 2
îáåñïå÷èâàåò:
ðàáîòó âîäîñáðîñà â áåñêàâèòàöèîííîì ðåæèìå
çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ è èíòåíñèâíîé
àýðàöèè ïîòîêà;
óìåíüøåíèå ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ
ïîòîêà íà ýëåìåíòû ñîîðóæåíèÿ è âîäîáîéíûå
óñòðîéñòâà;
ñíèæåíèå âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà íà ñêàëüíîå ðóñëî
â íèæíåì áüåôå çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà âûõîäå èç âîäîáîéíîãî êîëîäöà.
Øèðîêàÿ ãåîãðàôèÿ è äëèòåëüíàÿ èñòîðèÿ ïðèìåíåíèÿ ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ äåìîíñòðèðóåò
ýôôåêòèâíîñòü è ïðîñòîòó ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè. Ñóùåñòâóåò ìíîãî ïðèìåðîâ èñïîëüçîâàíèÿ ñòóïåí÷àòûõ êîíñòðóêöèé äëÿ ãàøåíèÿ ýíåðãèè
ñáðàñûâàåìîãî ïîòîêà [1]. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñáðîñû îáû÷íî ðàññ÷èòûâàþòñÿ íà óäåëüíûå ðàñõîäû
äî 30 ì2/ñ (íàïðèìåð, ãèäðîóçëû Äå Ìèñò Êðààëü â
ÞÀÐ è Âåë â Èñïàíèè) è ïðèìåíÿþòñÿ ïðè ïëîòèíàõ âûñîòîé äî 90 ì. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñáðîñíûå
ïëîòèíû âîçâîäÿò è â ñóðîâûõ êëèìàòè÷åñêèõ
óñëîâèÿõ. Òàê, ïëîòèíà Àïïåð Ñòèëóîòåð âûñîòîé
88 ì íà ð. Ðîêè-Êðèê âîçâåäåíà â 1987 ã. â ÑØÀ
[2 – 5] íà îòìåòêàõ ðóñëà ðåêè íàä óðîâíåì ìîðÿ
áîëåå 2400 ì. Ñòóïåí÷àòûé âîäîñáðîñ ýòîãî ãèäðîóçëà ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðàêòè÷åñêè åæåãîäíîãî
ïðîïóñêà ðàñõîäîâ, è åãî êîíñòðóêöèÿ ïîçâîëÿåò
ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ê êàâèòàöèîííîé ñòîéêîñòè áåòîíà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Íà ñòóïåí÷àòîé ãðàíè ýòîãî âîäîñáðîñà ñ óêëîíîì â âåðõíåé ÷àñòè 1:0,32, à â
íèæíåé — 1:0,6 ïðîèñõîäèëà äèññèïàöèÿ ïðèìåðíî
70 % èçáûòî÷íîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïîòîêà.
Äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ïðè ðàñ÷åòíîì ðàñõîäå
íå ïðåâûøàëè íà âõîäå â âîäîáîéíûé êîëîäåö
10 ì/ñ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè âîäîñëèâà ñ ãëàäêîé
ñëèâíîé ãðàíüþ ýòè ñêîðîñòè òå÷åíèÿ äîñòèãàëè
áû 30 ì/ñ.
Ïðè âûïîëíåíèè ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ èñïîëüçóåòñÿ ðàçëè÷íàÿ âûñîòà ñòóïåíåé. Íàèáîëüøàÿ âûñîòà ñòóïåíåé ñîñòàâëÿåò, íàïðèìåð, íà ïëîòèíå Âåë (Èñïàíèÿ) 1,2 ì (ïî íåêîòîðûì äàííûì íà
ïëîòèíå ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí â ÊÍÐ — 4 ì), à øèðèíà ñòóïåíåé îïðåäåëÿåòñÿ óêëîíîì íèçîâîé ãðàíè ïëîòèíû. Ñòóïåí÷àòàÿ ñëèâíàÿ ãðàíü òàêèõ âîäîñáðîñîâ âûïîëíÿåòñÿ ëèáî èç âèáðèðîâàííîãî
áåòîíà, êîòîðûé óêëàäûâàåòñÿ íà ìåñòå, ëèáî èç
ñïåöèàëüíî èçãîòîâëåííûõ áåòîííûõ áëîêîâ.
Äëÿ êîíñòðóêöèé ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ õàðàêòåðíî íàëè÷èå ãëàäêîãî âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà,
ïðîôèëü êîòîðîãî âûïîëíÿåòñÿ áåçâàêóóìíûì [6],
÷òîáû îáåñïå÷èòü ïðè îòñóòñòâèè íà íåì ñòóïåíåé
äîñòàòî÷íóþ ñêîðîñòü òå÷åíèÿ ó íèæåðàñïîëîæåííîãî àýðàòîðà. Òàêèå îãîëîâêè âûïîëíÿþò èç âèáðèðîâàííîãî áåòîíà, à çà íèì óñòðàèâàþò ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê ñî ñòóïåíÿìè ìåíüøåé âûñîòû, ÷åì íà
îñòàëüíîé ÷àñòè âîäîñëèâíîé ãðàíè. Òàêîé ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê â êàêîé-òî ìåðå ïîçâîëÿåò óñòðàíèòü ñóùåñòâåííîå ðàçáðûçãèâàíèå ïîòîêà, êîòî-
ðîå ìîæåò íàáëþäàòüñÿ ïðè íåáîëüøèõ ñáðîñíûõ
ðàñõîäàõ, è ïðåäóñìîòðåí, íàïðèìåð, íà ïëîòèíàõ
Ïóýáëà-äå-Êàçàëà (Èñïàíèÿ) [7], Ìîíêñâèëë
(CØÀ) [8], Ì’Áàëè (Öåíòðàëüíàÿ Àôðèêàíñêàÿ
Ðåñïóáëèêà) [9], Âåë (Èñïàíèÿ) [10].
 ïîñëåäíèå ãîäû íà ðÿäå ãèäðîóçëîâ Êèòàÿ
ãëàäêèå âîäîñëèâíûå îãîëîâêè ñîïðÿãàþòñÿ ñ íèæåðàñïîëîæåííîé ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíüþ ñ
ïîìîùüþ âåðòèêàëüíîãî óñòóïà. Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ ñîïðÿæåíèÿ âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà ñî ñëèâíîé
ãðàíüþ îáåñïå÷èâàåò ñóùåñòâåííóþ àýðàöèþ ïîòîêà íà ñòóïåíÿõ, âîçäóõ ïîñòóïàåò ê ïîòîêó ñíèçó, è
îäíîâðåìåííî ñòðóÿ àýðèðóåòñÿ ñ áîêîâ. Ïî äàííûì [11], êîíöåíòðàöèè âîçäóõà ïîä ïîòîêîì îò 5
äî 8 % äîñòàòî÷íî, ÷òîáû èçáåæàòü êàâèòàöèè áåòîíà. Ïîýòîìó äëÿ ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ óäàåòñÿ èçáåæàòü êàâèòàöèè ïðè óäåëüíûõ ðàñõîäàõ äî
140 ì2/ñ [12].  [13] óêàçàíî, ÷òî ïðè âûñîòå ñòóïåíåé 1,2 ì è óêëîíå ãðàíè 1:0,84 áåç ðèñêà êàâèòàöèè ÷åðåç âîäîñáðîñ ìîãóò ïðîïóñêàòüñÿ óäåëüíûå
ðàñõîäû äî 139,2 ì2/ñ.
Îïûò ýêñïëóàòàöèè ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñîâ
ÊÍÐ ñâèäåòåëüñòâóåò îá èõ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòè. Íà ãèäðîóçëå Øóèäîí, ââåäåííîì â ýêñïëóàòàöèþ â 1994 ã., ñòóïåí÷àòûé âîäîñëèâ âûñîòîé 62 ì,
ñ óêëîíîì íèçîâîé ãðàíè 1:0,65 îáîðóäîâàí ÷åòûðüìÿ ïëîñêèìè çàòâîðàìè ðàçìåðîì 15,0 ´ 15,0 ì è
Êàìåííîíàáðîñíàÿ ïëîòèíà ÁîÃÝÑ. Âîäîñáðîñ ¹ 1
3
ðàññ÷èòàí íà ïðîïóñê ðàñõîäîâ 6010 ì3/ñ îáåñïå÷åííîñòüþ 1 % è 8323 ì3/ñ îáåñïå÷åííîñòüþ
0,1 %.[13]. Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ ýòèõ ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 120 è 139 ì2/ñ ñîîòâåòñòâåííî.  íèæíåì
áüåôå ýòîãî âîäîñáðîñà óñòðîåí âîäîáîéíûé êîëîäåö, êîòîðûé îáðàçîâàí âîäîáîéíîé ñòåíêîé âûñîòîé îêîëî 3 ì. Íà áîëüøåé ÷àñòè äëèíû ýòîò êîëîäåö âûïîëíåí ïðàêòè÷åñêè áåç êðåïëåíèÿ ãðàíèòîâ
îñíîâàíèÿ, çà èñêëþ÷åíèåì êîðîòêîãî íîñêà â íà÷àëå êðåïëåíèÿ.  1994 ã. ÷åðåç âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà
áûë ïðîïóùåí ðàñõîä 5397 ì3/ñ, ò.å. áëèçêèé ê ðàñ÷åòíîìó ïàâîäêîâîìó ðàñõîäó îáåñïå÷åííîñòüþ
1 % (óäåëüíûé ðàñõîä ñîñòàâëÿåò 90 ì2/ñ). Âñÿ ñèñòåìà ñîïðÿæåíèÿ áüåôîâ ðàáîòàëà óäîâëåòâîðèòåëüíî, è ïîâðåæäåíèé ïîâåðõíîñòè áåòîíà íå çàôèêñèðîâàíî.
 2001 ã. â ÊÍÐ áûë ââåäåí â ýêñïëóàòàöèþ ãèäðîóçåë Äà÷àîøåí [14, 15] ñ ïëîòèíîé âûñîòîé
111 ì. Ïîâåðõíîñòíûé âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà îáîðóäîâàí íà ãðåáíå ïÿòüþ ñåãìåíòíûìè çàòâîðàìè ðàçìåðîì 14,0 ´ 17,0 ì. Ãëàäêèé âîäîñëèâíîé îãîëîâîê ñîïðÿãàåòñÿ ñî ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíüþ
óñòóïîì âûñîòîé îêîëî 2 ì. Óêëîí íèçîâîé ãðàíè
ïëîòèíû 1:0,7, à âûñîòà ñòóïåíåé 1 ì. Ýòîò âîäîñáðîñ ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðîïóñêà ðàñ÷åòíûõ è ïîâåðî÷íûõ ðàñõîäîâ, ñîñòàâëÿþùèõ ñîîòâåòñòâåííî
îêîëî 11 500 è 16 600 ì3/ñ. Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ
ýòèõ ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 165 è 250 ì2/ñ ñîîòâåòñòâåííî.
 ñëåäóþùåì ïîñëå ïóñêà ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí
2002 ã. áûëè ïðîâåäåíû íàòóðíûå èññëåäîâàíèÿ
óñëîâèé ðàáîòû âîäîñáðîñà ïðè ïðîïóñêå ðàñõîäà
6173 ì3/ñ è ðàáîòå ÷àñòè ïðîëåòîâ (óäåëüíûé ðàñõîä îêîëî 80 ì2/ñ). Ãàøåíèå ýíåðãèè â ïðåäåëàõ âîäîñáðîñíîãî òðàêòà ïðîèñõîäèëî óñïåøíî. Õîòÿ
áûëè îáíàðóæåíû íåêîòîðûå ïîíèæåíèÿ äàâëåíèÿ
íà ñòóïåíÿõ íèæå àòìîñôåðíîãî, îïàñíîñòü êàâèòàöèè îòñóòñòâîâàëà â ñâÿçè ñ ñóùåñòâåííûì íàñûùåíèåì ïîòîêà âîçäóõîì. Ïîñëå ïðîïóñêà ðàñõîäîâ
â 2002 ã. â òå÷åíèå 1000 ÷ ïîâðåæäåíèé êàâèòàöèîííîãî õàðàêòåðà íà âîäîñáðîñå íå íàáëþäàëîñü.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ â ÊÍÐ ïðîåêòèðóåòñÿ ãèäðîóçåë Áåéñ ñ ïëîòèíîé âûñîòîé 130 ì, óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ îñíîâíîãî è ïîâåðî÷íîãî ñëó÷àåâ ñîñòàâëÿþò 180 è 205 ì2/ñ. Âûñîòà âåðòèêàëüíîãî óñòóïà
â êîíöåâîì ñå÷åíèè áûêîâ ñîñòàâèò 3 ì.
Óäåëüíûå ðàñõîäû äëÿ âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, ñîñòàâëÿþùèå 34 è 45 ì2/ñ ïðè
îòìåòêàõ ÓÂÁ, ðàâíûõ ÍÏÓ è ÔÏÓ ñîîòâåòñòâåííî, ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì ïðîåêòíûå çíà÷åíèÿ
òàêèõ ðàñõîäîâ íà ðÿäå ðàññìîòðåííûõ âûøå ñòóïåí÷àòûõ âîäîñáðîñàõ, è ìåíüøå ðåàëüíî ïðîïóùåííûõ áåç êàêèõ-ëèáî íåáëàãîïðèÿòíûõ ïîñëåäñòâèé ÷åðåç ñòóïåí÷àòûé âîäîñáðîñ ãèäðîóçëà Äà÷àîøåí. Ïîýòîìó îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ
4
ïðîïóñêà ðàñõîäîâ è äîñòàòî÷íîå ãàøåíèå ýíåðãèè
ïîòîêà íà âîäîñëèâíîé ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå ñ ïðèìåíåíèåì êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî
âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2 ðåàëüíî.
Ðàçðàáîòêà êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2. Ïðè ðàçðàáîòêå êîíñòðóêöèè
ñòóïåí÷àòîãî âàðèàíòà âîäîñáðîñà ¹ 2 íåîáõîäèìî
îáåñïå÷èòü:
ãàøåíèå ýíåðãèè íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà;
îòñóòñòâèå êàâèòàöèîííîé ýðîçèè çà ñ÷åò äîïîëíèòåëüíîãî ïîäâîäà âîçäóõà;
ñîêðàùåíèå îáúåìîâ çåìåëüíî-ñêàëüíûõ ðàáîò;
îïòèìèçàöèþ ðàçìåðîâ âîäîáîéíîãî êîëîäöà è
óìåíüøåíèå òîëùèíû âîäîáîéíîé ïëèòû;
ìèíèìàëüíûå ðàçìûâû ñêàëüíîãî ðóñëà íà åãî
îòâîäÿùåì ó÷àñòêå.
Ðàññìîòðèì ïðåäëàãàåìûé âàðèàíò êîíñòðóêöèè âîäîñáðîñà ¹ 2.
Ãðåáåíü âîäîñáðîñà ïðèíÿò íà îòì. 199,0 ì.
Î÷åðòàíèå âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà âûáðàíî áåçâàêóóìíûì íà îñíîâå ïðîôèëÿ, ðåêîìåíäîâàííîãî
Êîðïóñîì âîåííûõ èíæåíåðîâ ÑØÀ, ïî óðàâíåíèþ
x = 2H0,85y,
(1)
ãäå H — ïðîôèëèðóþùèé íàïîð, ðàâíûé 10,5 ì;
x è y — ñîîòâåòñòâåííî ãîðèçîíòàëüíàÿ è âåðòèêàëüíàÿ îñè, ïðîâåäåííûå èç öåíòðà íà ãðåáíå âîäîñáðîñà (ðèñ. 1).
Äëÿ ñîïðÿæåíèÿ ãëàäêîãî îãîëîâêà è ñòóïåí÷àòîé ÷àñòè âîäîñáðîñà íà îòì. 194,13 ì ïðåäóñìîòðåí óñòóï âûñîòîé 1 ì. Íèæå, â äèàïàçîíå îòìåòîê
193,13 – 190,13 ì, ðàñïîëîæåí ïåðåõîäíûé ó÷àñòîê
ñ ñåìüþ ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5 ì, êîòîðàÿ ìåíüøå,
÷åì íà îñòàëüíîé äëèíå âîäîñëèâíîé ãðàíè. Íàðóæíûå êðîìêè ýòèõ ñòóïåíåé ñîïðÿãàþòñÿ ñ ïðîäîëæåíèåì êðèâîëèíåéíîãî ïðîôèëÿ WES. Íà÷èíàÿ ñ îòì. 190,13 ì âïëîòü äî îòìåòêè äíà êîëîäöà
íàðóæíûå êðîìêè ñòóïåíåé ïîñòîÿííîé âûñîòû
1,5 ì ñîâìåùåíû ñ óñëîâíûì ïðîôèëåì “ãëàäêîé”
âîäîñëèâíîé ãðàíè ñ óêëîíîì 1:0,85 (ðèñ. 1).
Ïðè ïîäáîðå âûñîòû ñòóïåíåé ðàññìàòðèâàëèñü
âàðèàíòû êîíñòðóêöèè âîäîñëèâíîé ãðàíè ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5; 0,75; 1,5 è 3 ì. Çà óñòóïîì â
êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè ðàñïîëàãàëîñü 43 ñòóïåíè âûñîòîé 1,5 (ðèñ. 1), à äëÿ
âàðèàíòà ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 3 ì — 22 òàêèõ
ñòóïåíè.
Êîíñòðóêöèÿ áûêîâ âîäîñáðîñà ïðåäñòàâëåíà
íà ðèñ. 1. Âõîäíûå îãîëîâêè âûíåñåíû â âåðõíèé
áüåô íà 6,7 ì îòíîñèòåëüíî íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû è ñêðóãëåíû ïî äóãå ýëëèïñà.  âåðõîâîé ÷àñòè
ïðîëåòà â áûêàõ âûïîëíåíû ïàçû äëÿ óñòàíîâêè
àâàðèéíî-ðåìîíòíîãî è ðàáî÷åãî çàòâîðîâ. Íà ðàññòîÿíèè 17,5 ì îò íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû âûïîë-
a)
0.85
õ=2.0Í d ó
1
33,2
2
3
9
11,5
17,5
1
POC
15
10
2
6,7
1,5
á)
Ðèñ. 1. Ïðîäîëüíûé ðàçðåç è ïëàí îäíîãî ïðîëåòà ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà
íåí óñòóï (ðàñøèðåíèå â ïëàíå) ïðîëåòà ñ 10 äî
11,5 ì çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ øèðèíû îäíîãî áûêà íà
0,5 ì, à äðóãîãî — íà 1 ì. Ýòîò óñòóï â ïëàíå íà
îòì. 194,13 ì ñîâìåùåí ñ óñòóïîì â âåðòèêàëüíîé
ïëîñêîñòè âûñîòîé 1 ì äëÿ îáåñïå÷åíèÿ àýðàöèè
ïîòîêà ïî âñåìó ïåðèìåòðó ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ.
Òîëùèíà áûêîâ â èõ âûõîäíîì ñå÷åíèè íà ðàññòîÿíèè 26,5 ì îò íàïîðíîé ãðàíè ïëîòèíû ðàâíà
3 ì äëÿ îäíîãî áûêà è 4 ì äëÿ äðóãîãî. Ñ êîíöåâûì
ñòâîðîì áûêîâ, îáðàçóþùèì óñòóï â ïëàíå, ñîâìåùåí óñòóï íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âûñîòîé 3,6 ì íà îòì. 184,12 ì (ðèñ. 1).
Ïðè îòðàáîòêå êîíñòðóêöèè âîäîáîéíîãî êîëîäöà ðàññìàòðèâàëèñü äâà âàðèàíòà åãî âûïîëíåíèÿ.
Ïåðâîíà÷àëüíî â òåõíè÷åñêîì ïðîåêòå ïðèíÿò âàðèàíò êîëîäöà ñ îòìåòêîé äíà 114,6 ì è äëèíîé
102,0 ì. Äëèíà ãîðèçîíòàëüíîãî ó÷àñòêà äíà êîëîäöà ñîñòàâëÿåò 28,4 ì, à íèçîâîé íàêëîííûé ó÷àñòîê
ñ óêëîíîì 1:3 çàáåòîíèðîâàí äî îòì. 126,0 ì. Äëÿ
óìåíüøåíèÿ îáúåìîâ âûåìêè ñêàëüíîãî ãðóíòà è
îáúåìîâ áåòîííûõ ðàáîò ïðåäëîæåí âàðèàíò âîäîáîéíîãî êîëîäöà, èñêëþ÷àþùèé ðàñ÷èñòêó ñêàëû â
ñóùåñòâóþùåì êîòëîâàíå çäàíèÿ ÃÝÑ. Îòìåòêà ãîðèçîíòàëüíîãî ó÷àñòêà äíà äëèíîé 7,9 ì óâåëè÷åíà
äî 117,0 ì. Äëèíà êîëîäöà ñîêðàùåíà äî 78 ì, à áåòîíèðîâàíèå íàêëîííîãî íèçîâîãî îòêîñà êîëîäöà
âûïîëíåíî äî îòì. 130,7 ì.
Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà è ìåòîäèêà
ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé. Äëÿ âûïîëíåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé â
ëàáîðàòîðíîì çàëå ÂÍÈÈÃ èì. Á. Å. Âåäåíååâà (ã.
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã) âîçâåäåíà ôðàãìåíòàðíàÿ ìîäåëü
ìàñøòàáà 1:30, âîñïðîèçâîäÿùàÿ îäèí ïðîëåò âîäîñáðîñà øèðèíîé ìåæäó îñÿìè áûêîâ 15 ì â íàòóðå. Ìîäåëü ñîñòîèò èç ìåòàëëè÷åñêîãî íàïîðíîãî
áàêà, ìîäåëè âîäîñëèâíîé ãðàíè èç îðãñòåêëà, âîäîáîéíîãî êîëîäöà è ó÷àñòêà ðóñëà â íèæíåì áüåôå, ðàçìåùåííûõ â îòâîäÿùåì ëîòêå ìîäåëè øèðèíîé 0,5 ì.
Âûñîòà ïëîòèíû íà ìîäåëè ñîñòàâëÿëà 2,8 ì, à
âûñîòà ñòóïåíåé èçìåíÿëàñü îò 1,7 äî 10 ñì. Ìîäåëèðîâàíèå ãèäðàâëèêè ïîòîêà âûïîëíåíî â ñîîòâåòñòâèè ñ êðèòåðèåì Ôðóäà, ÷èñëà Ðåéíîëüäñà íà
ñòóïåí÷àòîé ãðàíè ïðè ïðîïóñêå ðàñ÷åòíûõ ðàñõîäîâ ñîñòàâëÿëè îò 1 ´ 107 äî 5 ´ 107.
Íà ìîäåëè âûïîëíåíû èçìåðåíèÿ ãëóáèí ïîòîêà, îñðåäíåííûõ è ïóëüñàöèîííûõ ñîñòàâëÿþùèõ
äàâëåíèÿ íà îãîëîâêå âîäîñáðîñà, ñòóïåí÷àòîé âî5
Îòì, ì
210
ÔÏÓ 209,50
ÐÎÑ
ÍÏÓ 208,0
6.2
9.2
6.7
10.1
.0
1 5 4 .9
1
¹ -2
190
¹5
.6
1 7 6 .5
1
5
.8
2 2 3 .9
1
¹ 15
.7
2 4. 1
19
170
1
.5
2 9 .7
20
¹ 25
150
2
3
4
6
.9
2 88 .8
1
ÓÍÁ=141,45
¹ 35
.0
2 3 5 .6
1
130
.8
1 69 .4
¹ 49
110
–40
–20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ðàññòîÿíèå
îò ÐÎÑ, ì
Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå ïî îñè ïðîëåòà óðîâíåé âîäû 1, îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ 2, ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà ñëèâíîé
ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå 3; ïîëîæåíèå òðàíçèòíîé ñòðóè 4 è ãðåáíè íà ïîâåðõíîñòè ïîòîêà 5, à òàêæå ïðîäîëüíûå ïðîôèëè
ðàçìûâà ïî îñè 6 è ó ïðàâîé ñîïðÿãàþùåé ñòåíû
äîñëèâíîé ãðàíè è â âîäîáîéíîì êîëîäöå íà åãî
äíå è áîêîâûõ ñòåíàõ. Â ðÿäå îïûòîâ èçìåðÿëàñü
ãèäðîäèíàìè÷åñêàÿ íàãðóçêà íà ïåðâóþ ïëèòó äíà
âîäîáîéíîãî êîëîäöà. Â ðåçóëüòàòå îáðàáîòêè äàííûõ î ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ îïðåäåëåíû îñíîâíûå
ñòàòèñòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè: ñòàíäàðòû (ñðåäíèå êâàäðàòè÷åñêèå îòêëîíåíèÿ), çàêîíû ðàñïðåäåëåíèÿ è ôóíêöèè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè. Íà ìîäåëè òàêæå âûïîëíÿëèñü èçìåðåíèÿ ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ è âîçäóõîñîäåðæàíèÿ (àýðàöèè) ïîòîêà.
Ïî äàííûì èíæåíåðíî-ãåîëîãè÷åñêèõ èçûñêàíèé ó÷àñòîê íèæíåãî áüåôà â çîíå êîðåííûõ ñêàëüíûõ ïîðîä ñëîæåí äîëåðèòàìè, ñðåäíèé ðàçìåð
áëîêà êîòîðûõ èçìåíÿåòñÿ îò 0,2 äî 0,7 ì. Ýòè äîëåðèòû ïðèêðûòû ñâåðõó ñðàâíèòåëüíî òîíêèì ñëîåì
îñàäî÷íûõ ïîðîä, êîòîðûé, îäíàêî, âûäåðæàë ðàçìûâû â áûòîâîé ïåðèîä ïðîïóñêà ðàñõîäîâ ÷åðåç
ðóñëî ð. Àíãàðû, ÷òî êîñâåííî ñâèäåòåëüñòâóåò î
åãî äîñòàòî÷íî âûñîêîé ñîïðîòèâëÿåìîñòè ðàçìûâó. Íà ìîäåëè ñ ïîìîùüþ íåñâÿçíîãî ìàòåðèàëà —
ãðàâèÿ ñî ñðåäíèì ðàçìåðîì îòäåëüíîñòåé îêîëî
0,8 ñì — âîñïðîèçâîäèëèñü òîëüêî êîðåííûå ñèëüíîòðåùèíîâàòûå äîëåðèòû, à â èõ ñîñòàâå — ìèíèìàëüíûé ðàçìåð ñîõðàííûõ ïîðîäíûõ áëîêîâ. Òàêèì îáðàçîì, íà ìîäåëè íåñâÿçíûì ìàòåðèàëîì
âîñïðîèçâåäåíû îòäåëüíîñòè ñêàëû ñî ñðåäíèì
ðàçìåðîì, ñîñòàâëÿþùèì îêîëî 0,25 ì â ïåðåñ÷åòå
íà íàòóðó.
Äëÿ äîñòîâåðíîé îöåíêè çíà÷åíèé ãàøåíèÿ
ýíåðãèè íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà íà ìîäåëè
ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê óñòàíàâëèâàëñÿ â êðèòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå òàê, ÷òîáû åãî ñæàòîå ñå÷åíèå ðàñïîëàãàëîñü ó ïîäîøâû ïëîòèíû. Ïîñëå èçìåðåíèÿ
íà ìîäåëè âòîðîé ñîïðÿæåííîé ãëóáèíû ãèäðàâëè6
÷åñêîãî ïðûæêà ðàñ÷åòîì ïî óðàâíåíèþ ïðûæêà
îïðåäåëÿëèñü ãëóáèíà â ñæàòîì ñå÷åíèè ïðûæêà,
ñêîðîñòü è êîýôôèöèåíò ñêîðîñòè â ýòîì ñå÷åíèè.
Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé
Óñëîâèÿ òå÷åíèÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà.  êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ íàáëþäàåòñÿ îòðûâ ïîòîêà ñ îáðàçîâàíèåì ïàçóõ â ïëàíå, ÷åðåç êîòîðûå âîçäóõ ñâîáîäíî ïðîíèêàåò ê ïîòîêó ïî âñåìó ïåðèìåòðó íèæíåé ïîâåðõíîñòè ñòðóè çà ñ÷åò
íàëè÷èÿ âåðòèêàëüíîãî óñòóïà â ýòîì ñòâîðå. Ïîòîê
ðàñøèðÿåòñÿ, êîíòàêòèðóåò ñ áîêîâûìè ñòåíàìè ñ
îáðàçîâàíèåì ãðåáíåé íà ïîâåðõíîñòè ïîòîêà, â êîòîðûõ ãëóáèíà âîäû ñóùåñòâåííî âûøå, ÷åì ïî îñè
ïîòîêà. Äàííûå îá èçìåíåíèè óðîâíåé âîäû è ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ íà òðàêòå ïðîëåòà âîäîñáðîñà ¹ 2,
â âîäîáîéíîì êîëîäöå è íà îòâîäÿùåì ó÷àñòêå ðóñëà ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.
 ðåçóëüòàòå ãèäðàâëè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé
óñòàíîâëåíî ñëåäóþùåå:
ïðèíÿòîå î÷åðòàíèå ïðîôèëÿ îãîëîâêà îáåñïå÷èâàåò áåçîòðûâíîå îáòåêàíèå ïîòîêîì, äàâëåíèå
íà åãî ïîâåðõíîñòè áîëüøå àòìîñôåðíîãî;
âàêóóìû íà ïîâåðõíîñòÿõ ñòóïåíåé îòñóòñòâóþò;
ñêîðîñòè òå÷åíèÿ íà ñòóïåí÷àòîé ñëèâíîé ãðàíè
ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàþòñÿ, îäíàêî äî âõîäà ñòðóè
â âîäó îíè íå ïðåâûøàþò 20 ì/ñ (ðèñ. 2);
ïðîíèêíîâåíèå âîçäóõà â ïîòîê ÷åðåç ïàçóõè â
ñòâîðå óñòóïà â ñðåäíåé ÷àñòè áûêîâ íåçíà÷èòåëüíî. Îòðûâ ïîòîêà â ñòâîðå óñòóïà â êîíöåâîì ñå÷åíèè áûêîâ îáåñïå÷èâàåò åãî çíà÷èòåëüíóþ àýðàöèþ, îñîáåííî ó äíà, ãäå âîçäóõîñîäåðæàíèå äîñòèãàåò 20 %. Êîëè÷åñòâî âîçäóõà â ïîòîêå ïî äëèíå ãðàíè íåñêîëüêî óìåíüøàåòñÿ. Íà ëèíèè,
ñîåäèíÿþùåé âåðõíèå êðîìêè ñòóïåíåé (óñëîâíîé
ëèíèè äíà ãðàíè), âîçäóõîñîäåðæàíèå ñîñòàâëÿåò
10 – 15 %. Âíóòðè ïàçóõ ñòóïåíåé, íèæå óêàçàííîé
ëèíèè, êîëè÷åñòâî âîçäóõà â ïîòîêå ïðàêòè÷åñêè íå
óìåíüøàåòñÿ.
Òàêèì îáðàçîì, çàùèòà ïîâåðõíîñòè ñòóïåíåé
îò êàâèòàöèîííîé ýðîçèè îáåñïå÷èâàåòñÿ íåâûñîêèìè ñêîðîñòÿìè òå÷åíèÿ, êîòîðûå íà âñåé äëèíå
ãðàíè äî ñòâîðà âõîäà ñòðóè â âîäó íå ïðåâûøàþò
20 ì/ñ, èíòåíñèâíûì íàñûùåíèåì ïîòîêà âîçäóõîì, îòñóòñòâèåì âàêóóìîâ íà ãðàíÿõ ñòóïåíåé.
Îïàñíîñòü çíà÷èòåëüíîãî áðûçãîîáðàçîâàíèÿ
ïðè ðàáîòå ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ïðàêòè÷åñêè
îòñóòñòâóåò. Ïîòîê ïðè ñêîëüçÿùåì ðåæèìå òå÷åíèÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè â ñâîåé âåðõíåé ÷àñòè
äîñòàòî÷íî ãëàäêèé, òîëüêî ïðè âçàèìîäåéñòâèè
ñòðóè ñ áîêîâûìè ñòåíàìè îáðàçóþòñÿ ãðåáíè íà
ïîâåðõíîñòè ïîòîêà. Âûñîòà ïîòîêà â ãðåáíÿõ â
2 – 2,5 ðàçà áîëüøå, ÷åì ïî îñè ïîòîêà.
Àíàëèç ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòóþ âîäîñëèâíóþ ïîâåðõíîñòü âîäîñáðîñà ïîêàçûâàåò ñëåäóþùåå. Îñðåäíåííîå äàâëåíèå íà âåðòèêàëüíûõ ãðàíÿõ ñòóïåíåé áëèçêî ê àòìîñôåðíîìó, à åãî íàèáîëüøèå çíà÷åíèÿ ôèêñèðóþòñÿ íà ãîðèçîíòàëüíûõ ïîâåðõíîñòÿõ ñòóïåíåé
òîëüêî âáëèçè íàðóæíîãî óãëà. Îñðåäíåííîå äàâëåíèå íà ñòóïåíÿõ óâåëè÷èâàåòñÿ ïî äëèíå ãðàíè è
äîñòèãàåò íà íèæíèõ ñòóïåíÿõ âáëèçè ïîäîøâû
ïëîòèíû 50 – 60 êÏà. Èíòåíñèâíîñòü ïóëüñàöèîííîé ñîñòàâëÿþùåé äàâëåíèÿ íà ñòóïåíÿõ (îòíîøåíèå åå ñðåäíåãî êâàäðàòè÷åñêîãî îòêëîíåíèÿ ê ñêîðîñòíîìó íàïîðó) â íèçîâîé ÷àñòè ãðàíè ñîñòàâëÿåò 0,05 – 0,10, à ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèÿ ñðåäíåå
êâàäðàòè÷åñêîå îòêëîíåíèå — 20 êÏà [1]. Ïðè íåáîëüøèõ ðàñõîäàõ ïîòîêà íà òðàêòå âîäîñáðîñà è
ïåðåïàäíîì ðåæèìå òå÷åíèÿ ôóíêöèè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ íà ñòóïåíÿõ
èìåþò âèä áåëîãî øóìà äî ÷àñòîò 40 – 50 Ãö. Ïðè
ðàñ÷åòíîì ðàñõîäå è ñêîëüçÿùåì ðåæèìå òå÷åíèÿ
ñóùåñòâåííàÿ ÷àñòü ôóíêöèé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ðàñïîëîæåíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò íå ïðåâûøàþùèõ 3 Ãö [1]. Òàêèì îáðàçîì, ãèäðîäèíàìè÷åñêîå
âîçäåéñòâèå ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòóþ âîäîñëèâíóþ
ãðàíü íå ïðåäñòàâëÿåò îïàñíîñòè äëÿ ïðî÷íîñòè è
óñòîé÷èâîñòè ìàññèâíîé áåòîííîé ïëîòèíû Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, íå ìîæåò ïðèâåñòè ê âèáðàöèè
ýòîãî ñîîðóæåíèÿ, òàê êàê îñðåäíåííûå íàãðóçêè
ïðåíåáðåæèìî ìàëû, à âåäóùèå ÷àñòîòû ïóëüñàöèè
íàãðóçêè íà ñòóïåíÿõ îò âîçäåéñòâèÿ ïîòîêà ñóùåñòâåííî íèæå ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò ïëîòèíû.
Ïóëüñàöèÿ ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà
âåðòèêàëüíûõ ãðàíÿõ ñòóïåíåé ìîæåò ïðèâåñòè ê
îáðàçîâàíèþ âàêóóìîâ è, ñëåäîâàòåëüíî, ê âîçìîæíîé êàâèòàöèîííîé ýðîçèè ñòóïåíåé. Îäíàêî ñóùåñòâåííîå íàñûùåíèå íèçîâîé ÷àñòè ïîòîêà âîçäóõîì (äî 10 – 15 %) è ñðàâíèòåëüíî íèçêèå ñêîðîñòè
q, ì2/c
55
-1
-2
-3
-4
-5
-6
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
j
1,0
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà ñêîðîñòè j îò óäåëüíîãî
ðàñõîäà q:
1 – 2 — äëÿ îòìåòêè ãðåáíÿ âîäîñáðîñà 199 ì è ñòóïåíåé âûñîòîé
1,5 è 3 ì ñîîòâåòñòâåííî; 3 — äëÿ îòìåòêè ãðåáíÿ âîäîñáðîñà
176 ì (âðåìåííûé ïîðîã) è ñòóïåíåé âûñîòîé 1,5 ì; 4 – 6 — ïî äàííûì [17] äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 1,9; 2,6 è 4,6 ì ñîîòâåòñòâåííî
òå÷åíèÿ (ìåíüøå 20 ì/ñ) íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàþò çàùèòó ïîâåðõíîñòè áåòîíà îò êàâèòàöèè. Ïðè äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèÿõ,
òåì íå ìåíåå, ïëàíèðóåòñÿ âûïîëíèòü äîïîëíèòåëüíûå ãèäðàâëè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ïóëüñàöèè
ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ ïîòîêà íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè, è â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåçóëüòàòàìè íàçíà÷èòü ñîñòàâû áåòîíà.
Ãàøåíèå ýíåðãèè íà âîäîñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà. Ãàøåíèå ýíåðãèè íà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàåòñÿ çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ
ïîòîêà ñ âîäîâîðîòíûìè îáëàñòÿìè, êîòîðûå îáðàçóþòñÿ â ïàçóõàõ ñòóïåíåé. Ñðåäíèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî òðåíèÿ ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè âîçðàñòàþò ñ óâåëè÷åíèåì âûñîòû ñòóïåíåé, äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 0,5; 0,75; 1,5 è
3 ì îíè ñîñòàâëÿþò ñîîòâåòñòâåííî 0,17; 0,28; 0,53
è 1,8. Ïðèìåðíî òàêèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî òðåíèÿ çàôèêñèðîâàíû äëÿ ñêàëüíûõ
ðóñë ðåê [16].
Ðàññìîòðèì ðåçóëüòàòû èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ, õàðàêòåðèçóþùèõ ïîòåðè ñêîðîñòè è ýíåðãèè
íà ñëèâíîé ãðàíè âîäîñáðîñà, â çàâèñèìîñòè îò
óäåëüíîãî ñáðîñíîãî ðàñõîäà. Îñíîâíûå äàííûå î
çíà÷åíèÿõ êîýôôèöèåíòà j, õàðàêòåðèçóþùåãî
óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ ó ïîäîøâû ïëîòèíû ïî ñðàâíåíèþ ñ îïðåäåëåííûì ïðè óñëîâèè îòñóòñòâèÿ ïîòåðü ýíåðãèè, â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ óäåëüíîãî ðàñõîäà q ïðèâåäåíû íà ðèñ. 3. Ñðåäíèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà ñêîðîñòè ïðàêòè÷åñêè
íå çàâèñÿò îò âûñîòû ñòóïåíåé. Êîýôôèöèåíò ñêî7
ðîñòè j äëÿ ñòóïåíåé âûñîòîé 1,5 è 3 ì íà âîäîñëèâíîé ãðàíè ïðè ïðîïóñêå ìàêñèìàëüíîãî ðàñõîäà ñîñòàâëÿåò â ñòâîðå ó ïîäîøâû ïëîòèíû 0,57,
÷òî ïðèìåðíî ñîâïàäàåò ñ äàííûìè [17, 18]. Ãàøåíèå (ïîòåðÿ) ïîëíîé óäåëüíîé ýíåðãèè ïîòîêà íà
ó÷àñòêå îò âåðõíåãî áüåôà äî ïîäîøâû ïëîòèíû ñîñòàâëÿåò îêîëî 70 %, ÷òî ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóåò
ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì [19], ïîëó÷åííûì äëÿ
óêëîíà ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè 50°.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî îïòèìàëüíàÿ âûñîòà ñòóïåíåé ñîñòàâëÿåò 1,5 ì, ÷òî è ñîîòâåòñòâóåò ïîëîâèíå âûñîòû áëîêîâ áåòîíèðîâàíèÿ. Óâåëè÷åíèå
âûñîòû ñòóïåíåé äî 3 ì ïðèâîäèò ê äîïîëíèòåëüíîìó áðûçãîîáîðàçîâàíèþ íà ñëèâíîé ãðàíè, íî ãàøåíèå ýíåðãèè íå âîçðàñòàåò.
Óñëîâèÿ ãàøåíèÿ ýíåðãèè â âîäîáîéíîì êîëîäöå,
ïàðàìåòðû ðåæèìà òå÷åíèÿ è ðàçìûâû äíà íà îòâîäÿùåì ó÷àñòêå ðóñëà â íèæíåì áüåôå. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè âîäîáîéíîãî êîëîäöà
êîýôôèöèåíò çàòîïëåíèÿ ïðûæêà ñîñòàâëÿåò îêîëî
2,5 è ñæàòîå ñå÷åíèå ïðûæêà ðàñïîëàãàåòñÿ íà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Ñîîòâåòñòâåííî äëèíà ïóòè òðàíçèòíîé ñòðóè â âîäå îò ñæàòîãî ñå÷åíèÿ ïðûæêà äî
ïîäîøâû ïëîòèíû â ïåðåäåëàõ íèçîâîé ÷àñòè ñëèâíîé ãðàíè îáåñïå÷èâàåò äîïîëíèòåëüíîå ãàøåíèå
ýíåðãèè ïîòîêà è óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé òå÷åíèÿ. Ê
èíòåíñèâíîìó ãàøåíèþ ýíåðãèè â ãèäðàâëè÷åñêîì
ïðûæêå ïðèâîäèò çíà÷èòåëüíàÿ òîëùèíà âàëüöà
ãèäðàâëè÷åñêîãî ïðûæêà (ðèñ. 2).
Äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ â òðàíçèòíîé ñòðóå â
íà÷àëå âîäîáîéíîãî êîëîäöà óìåíüøàþòñÿ ïðàêòè÷åñêè â 2 ðàçà ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòâîðîì âõîäà
ñòðóè â âîäó. Ó ïîäîøâû ïëîòèíû îíè ñîñòàâëÿþò
îêîëî 9 – 10 ì/ñ. Åñëè áû ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê
áûë ðàñïîëîæåí â êðèòè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ó ïîäîøâû ïëîòèíû ïðè îòñóòñòâèè ïîäòîïëåíèÿ ñî ñòîðîíû íèæíåãî áüåôà, òî äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ â
ýòîì ñòâîðå ñîñòàâèëè áû 24 ì/ñ. Òàêèì îáðàçîì,
ãèäðàâëè÷åñêèé ïðûæîê îáåñïå÷èâàåò çà ñ÷åò ãàøåíèÿ ýíåðãèè óìåíüøåíèå ñêîðîñòåé ó ïîäîøâû
ïëîòèíû ïðèìåðíî â 3 ðàçà.
Ïî äëèíå äíà âîäîáîéíîãî êîëîäöà îò ïîäîøâû
ïëîòèíû ê åãî íèçîâîìó îòêîñó ñêîðîñòè òå÷åíèÿ
ñóùåñòâåííî íå èçìåíÿþòñÿ. Â âåðõîâîì ñòâîðå áåòîííîãî êðåïëåíèÿ ñ îòì. 130,7 ì ìàêñèìàëüíûå
äîííûå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ñîñòàâëÿþò âñåãî
2 – 3 ì/ñ (ðèñ. 2). Ïðè âûõîäå ïîòîêà íà ãîðèçîíòàëüíûé ó÷àñòîê ðóñëà ñ îòì. 133 ì ñêîðîñòè ïîòîêà
íåñêîëüêî óâåëè÷èâàþòñÿ çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ æèâîãî ñå÷åíèÿ ïîòîêà.  íèæíåì áüåôå çà ïðåäåëàìè
ðàçäåëüíûõ ñòåí âîäîñáðîñà ñêîðîñòè òå÷åíèÿ
ïðàêòè÷åñêè ñîîòâåòñòâóþò áûòîâûì çíà÷åíèÿì.
Îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèå ðàçìûâû îòâîäÿùåãî
ñêàëüíîãî ðóñëà çàôèêñèðîâàíû çà âîäîáîéíûì êîëîäöåì (ðèñ. 2). Íàèáîëüøàÿ ãëóáèíà âîðîíêè ðàç8
ìûâà äîñòèãàåò 5 ì ïîñëå ïðîïóñêà ïàâîäêà ðàñ÷åòíîé îáåñïå÷åííîñòè. Îòìåòêè äíà ÿìû ðàçìûâà
âûøå îòìåòîê ïîäîøâû îãðàæäàþùèõ ñòåí ïîñòðîåííîãî âîäîñáðîñà ¹ 1, ïîýòîìó òàêîé ðàçìûâ
ñêàëû íå óãðîæàåò áåçîïàñíîñòè ðàçäåëüíûõ ñòåí
âîäîñáðîñà.
Îïðåäåëåíèå ãèäðîäèíàìè÷åñêèõ íàãðóçîê íà
ïëèòû äíà è áîêîâûå ñòåíû âîäîáîéíîãî êîëîäöà.
 âîäîáîéíîì êîëîäöå îòìåòêè óðîâíåé âîäû íèæå
îòìåòîê ÓÍÁ, íåñìîòðÿ íà äîñòàòî÷íî âûñîêóþ
ñòåïåíü çàòîïëåíèÿ ïðûæêà. Ñîîòâåòñòâåííî è çíà÷åíèÿ îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ íà
äíî âîäîáîéíîãî êîëîäöà ìåíüøå, ÷åì îïðåäåëÿåìûõ ðàñ÷åòîì â çàâèñèìîñòè îò ÓÍÁ (ðèñ. 2). Çíà÷åíèÿ îñðåäíåííûõ ïüåçîìåòðè÷åñêèõ íàïîðîâ
óìåíüøàþòñÿ ïî äëèíå êîëîäöà ñ 20 äî 10 ì (â êîíöå áåòîííîãî êðåïëåíèÿ).
Ê óâåëè÷åíèþ âçâåøèâàþùèõ íàãðóçîê íà ïëèòû âîäîáîéíîãî êîëîäöà ïðèâîäÿò ñóùåñòâåííûå
çíà÷åíèÿ ïóëüñàöèè ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî äàâëåíèÿ.
Ñòàíäàðòû ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ íà äíî êîëîäöà ñîñòàâëÿþò îêîëî 5 % îò ñêîðîñòíîãî íàïîðà â ñæàòîì ñå÷åíèè ãèäðàâëè÷åñêîãî ïðûæêà è óìåíüøàþòñÿ ïî äëèíå.
Íåîáõîäèìàÿ òîëùèíà ïëèò äíà âîäîáîéíîãî
êîëîäöà, îïðåäåëÿåìàÿ ïðè óñëîâèè ïîëíîñòüþ ãåðìåòè÷íûõ øâîâ ìåæäó ïëèòàìè, ñîñòàâëÿåò 4,5 ì.
Ìàêñèìóìû ôóíêöèé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè
è ýíåðãåòè÷åñêîãî ñïåêòðà ïóëüñàöèè äàâëåíèÿ ðàñïîëîæåíû â îñíîâíîì ïðè íèçêèõ çíà÷åíèÿõ ÷àñòîò
äî 1 – 2 Ãö, à ïðè áîëüøèõ ÷àñòîòàõ ýòè ôóíêöèè
çàêîíîìåðíî çàòóõàþò. Îáû÷íî ÷àñòîòû ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé áûêîâ âîäîñáðîñà ñîñòàâëÿþò
6 – 8 Ãö, ïîýòîìó íåîáõîäèìîñòü äèíàìè÷åñêîãî
ðàñ÷åòà ïëèò êîëîäöà è áîêîâûõ ñòåí îòñóòñòâóåò.
Îöåíêà ýêñïëóàòàöèîííûõ ïðîáëåì ïðè ïðîïóñêå ïàâîäêîâûõ ðàñõîäîâ ÷åðåç âîäîñáðîñ ¹ 2.
Ðàáîòà âîäîñáðîñà ¹ 2 ïëàíèðóåòñÿ ýïèçîäè÷íîé,
òîëüêî â ïåðèîä ïðîïóñêà âåñåííåãî ïîëîâîäüÿ è
ëåòíå-îñåííåãî ïàâîäêà. Íåñìîòðÿ íà îòðàáîòêó îïòèìàëüíîé êîíñòðóêöèè ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà,
ïðè åãî ýêñïëóàòàöèè âîçìîæíî ïîÿâëåíèå ñëåäóþùèõ ïðîáëåì, êîòîðûå ìîãóò áûòü àêòóàëüíû è äëÿ
äðóãèõ âàðèàíòîâ êîíñòðóêöèé âîäîñáðîñà:
îáðàçîâàíèå ëåäÿíîãî ïîêðîâà íà âîäîñëèâíîé
ãðàíè èç-çà âîçìîæíûõ ïðîòå÷åê âîäû ÷åðåç óïëîòíåíèÿ çàòâîðîâ íà îãîëîâêå âîäîñáðîñà;
íåîáõîäèìîñòü çàùèòû âîäîñëèâíîé ãðàíè ïðè
âîçìîæíîì ïîïàäàíèè íà íåå îòäåëüíûõ ëüäèí,
áðåâåí è ìóñîðà èç âîäîõðàíèëèùà ïðè îòêðûòèè
çàòâîðà è íà÷àëå ïðîïóñêà ðàñõîäîâ.
Ñòðîÿùåéñÿ Áîãó÷àíñêèé ãèäðîóçåë ÿâëÿåòñÿ
÷åòâåðòîé (íèæíåé) ñòóïåíüþ êàñêàäà ãèäðîóçëîâ
íà ð. Àíãàðå. Â ïåðèîä ýêñïëóàòàöèè âûøåðàñïîëîæåííûõ Èðêóòñêîãî, Áðàòñêîãî, Óñòü-Èëèìñêîãî
ãèäðîóçëîâ íàêîïëåí çíà÷èòåëüíûé ïðàêòè÷åñêèé
îïûò ïî ïðîïóñêó ïàâîäêîâûõ ðàñõîäîâ ÷åðåç ïîâåðõíîñòíûå âîäîñáðîñû. Àíàëèç ýòîãî îïûòà, à
òàêæå îáîáùåíèå äàííûõ ïî äðóãèì ãèäðîóçëàì
Ðîññèè, êîòîðûå ýêñïëóàòèðóþòñÿ â ñóðîâûõ êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèÿõ, ïîçâîëÿò ðàçðàáîòàòü ìåðîïðèÿòèÿ ïî îáåñïå÷åíèþ áåçàâàðèéíîãî ðåæèìà ðàáîòû âîäîñáðîñà ¹ 2 ïðè äàëüíåéøåì óñîâåðøåíñòâîâàíèè åãî êîíñòðóêöèè.
Âûâîäû
1.  ðåçóëüòàòå âûïîëíåííûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ
èññëåäîâàíèé îòðàáîòàíà êîíñòðóêöèÿ ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ¹ 2 Áîãó÷àíñêîãî ãèäðîóçëà, îáåñïå÷èâàþùàÿ íàäåæíûå óñëîâèÿ ïðîïóñêà ðàñõîäîâ
ïðè ïîñòîÿííîé ýêñïëóàòàöèè.
2. Êîíñòðóêöèÿ ñòóïåí÷àòîãî âîäîñáðîñà ñîñòîèò èç ãëàäêîãî âîäîñëèâíîãî îãîëîâêà, ïåðåõîäíîãî
ó÷àñòêà ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 0,5 ì è âîäîñëèâíîé
ãðàíè ñî ñòóïåíÿìè âûñîòîé 1,5 ì. Äëÿ àýðàöèè ïîòîêà â êîíöåâîì ñòâîðå áûêîâ ïðåäóñìîòðåí âåðòèêàëüíûé óñòóï âûñîòîé 3,6 ì.
3. Êîíôèãóðàöèÿ âîäîáîéíîãî êîëîäöà ñîîòâåòñòâóåò î÷åðòàíèþ ñóùåñòâóþùåãî êîòëîâàíà çäàíèÿ ÃÝÑ, äîïîëíèòåëüíîé ðàçáîðêè ñêàëû äëÿ âûïîëíåíèÿ êîëîäöà íå òðåáóåòñÿ. Íåîáõîäèìàÿ òîëùèíà ïëèò êîëîäöà ñîñòàâëÿåò 4,5 ì.
4. Ê ïðåèìóùåñòâàì ðåêîìåíäóåìîãî âàðèàíòà
âûïîëíåíèÿ âîäîñáðîñà ïî ñðàâíåíèþ ñ âàðèàíòîì
òðàäèöèîííîé, ãëàäêîé âîäîñëèâíîé ãðàíè ìîæíî
îòíåñòè:
ìåíüøóþ ñòîèìîñòü ðàáîò è ìàòåðèàëîâ, òåõíîëîãè÷íîñòü è âûñîêóþ ñêîðîñòü áåòîíèðîâàíèÿ
ñòóïåí÷àòîé âîäîñëèâíîé ãðàíè;
îòñóòñòâèå ïîâûøåííûõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó
áåòîíà íà âîäîñëèâíîé ãðàíè. Çàùèòà îò êàâèòàöèîííîé ýðîçèè ïîâåðõíîñòè ñòóïåíåé îáåñïå÷èâàåòñÿ ñóùåñòâåííîé àýðàöèé ïîòîêà è ñðàâíèòåëüíî
íèçêèìè ñêîðîñòÿìè òå÷åíèÿ, êîòîðûå íå ïðåâûøàþò 20 ì/ñ;
ýêîíîìèþ áåòîíà çà ñ÷åò ìåíüøåé òîëùèíû
ïëèòû âîäîáîéíîãî êîëîäöà è îáåñïå÷åíèå óñòîé÷èâîñòè îãðàæäàþùèõ ñòåí âîäîñáðîñà;
íåçíà÷èòåëüíûå ðàçìûâû ñêàëû çà âîäîáîéíûì
êîëîäöåì ïðè ñêîðîñòÿõ òå÷åíèÿ, áëèçêèõ ê áûòîâûì çíà÷åíèÿì.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Øâàéíøòåéí À. Ì., Ñóäîëüñêèé Ã. À. Ãèäðîäèíàìè÷åñêîå
âîçäåéñòâèå íà íèçîâóþ ãðàíü ñòóïåí÷àòûõ ïëîòèí // Èçâåñòèÿ ÂÍÈÈà èì. Á. Å. Âåäåíååâà. 2000. Ñ. 37 – 44.
2. Burec debits first rollcrete dam // Engineering News Record.
1984. V. 212. ¹ 13.
3. Richardson A. T. Upper Stillwater dam roller compacted concrete design and construction concepts // Trans. of the 15th
ICOLD, Lausanne. 1985. V. 2. P. 143 – 155.
4. Dolån T. P., Richardson A. T. Slip formed concrete failing for
roller compacted concrete dams // Trans. of the 16th ICOLD,
San Francisco. 1988. V. 3. P. 397 – 416.
5. Houston K. L., Richardson A. T. Energy dissipation characteristics of a stepped spillway for an RCC dam // The Int. Symposium on Hydraulics for High Dams, Beijing. 1988. P. 91 – 98.
6. Tozzi M. An investigation on stepped spillways. Large Brazilian
spillways. 2002. P. 185 – 191.
7. Jardin B. J. La Puebla de Cazalla’s dam spillway with roller
concrete steps // ICOLD, Spanish Nat. Committee. Int. Symposium on Dams and Extreme Floods, Granada. 1992. V. 1.
8. Sorensen R. M. Stepped spillway hydraulic model investigation
// Jour. Hydr. Engineering. 1985. V. III. ¹ 12.
9. Bindo M., Goatter J., Lacroix. The stepped spillway of M’Bali
dam // Int. Water Power and Dams Construction. 1993. V. 45.
¹ 11.
10. The Val dam: Hydraulic project criteria and reduced-scale modeling / N. Alonso, M. A. Bermúdez, M. Zueco, V. Elviro //
Dam Safety, Berga (editor). Balkema: Rotterdam, 1998.
11. Peterka A. J. The effect of entrained air on cavitation pitting //
Proceedings, 5th IAHR Congress, Minneapolis, USA. 1953.
12. Amador A. Santez-Juny M., Dolz J. Discussion of “Two-phase
flow characteristics of stepped spillways” by R. M. Boos and
W. H. Hager // Jour. of Hydr. Engineering. 2005. V. 131, ¹ 5.
P. 421 – 423.
13. He Guangtong, Xiankang. The integral RCC dam design characteristics and optimization design of its energy dissipater in
Shuidong hydropower station. Roller compacted concrete dam
// Proc. of the Int. Symposium, Madrid. 1995. P. 405 – 412.
14. Large Dams in China. A Fifty Year Review. Editors Jiazheng
Pan, Jing He // China Water Press, Beijing. 2000.
15. Field observation on the RCC stepped spillways with the flaring pier gate on the Dachaoshan project / Guo J., Liu Z., Liu J.
and Lu Y. // Proc. of the XXX IAHR Congress. 2003. Thessalonica, theme D. P. 473 – 478.
16. Chanson H. Drag reduction in skimming flow on stepped spillways by aeration // Journal of Hydraulic Research. V. 42, ¹ 3
(2004). P. 316 – 322.
17. Øâàéíøòåéí À. Ì. Ñòóïåí÷àòûå âîäîñëèâíûå ïëîòèíû è
ãàøåíèå ýíåðãèè // Ãèäðîòåõíè÷åñêîå ñòðîèòåëüñòâî.
1999. ¹ 5.
18. Chanson H. Hydraulic of skimming flow: The effects of inflow
condition // Journal of Hydraulic Research. V. 44. ¹ 1 (2006).
P. 51 – 60.
19. Boes R., Minor H.-E. Hydraulic design of stepped spillways for
RCC dams // Hydropower & Dams. Issue Three. 2002.
P. 87 – 91.
9