Гидравлические расчеты
Гидравлические расчеты обычно относят к специальному виду расчетов и включают в себя:
расчеты пропуска высоких половодий через гидроузел или каскад гидроузлов;
расчеты кривых свободной поверхности (кривых подпора) водохранилищ;
расчеты уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища при суточном и недельном регулировании режимов работы гидроузла водохранилища (например, при регулировании мощности ГЭС), когда имеет место неустановившееся движение воды.
Пропуск половодий и паводков представляет собой особую задачу регулирования режимов работы водохранилища. На практике – это особое водохозяйственное мероприятие, целью которого, в общем случае, является уменьшение максимальных расходов воды, пропускаемой в нижний бьеф водохранилища. Для количественной оценки условий пропуска высоких половодий и паводков выполняются соответствующие гидравлические расчеты их регулирования (трансформации) водохранилищем. Основной задачей расчетов является определение максимальных уровней воды водохранилища и расходов воды в нижнем бьефе.
В подготовке и проведении гидравлических расчетов пропуска половодий и паводков можно выделить три основных элемента (этапа):
гидрологический;
гидравлический;
водохозяйственный.
Гидрологический этап представляет собой построение расчетных гидрографов половодий и паводков, принимаемых за исходные при проведении расчетов пропуска половодий и паводков.
Гидравлический этап посвящен процессам неустановившегося движения воды, сопровождающим прохождение волны и паводков через водохранилище, выбору схем расчета, математических моделей, их калибровке и верификации.
Водохозяйственный этап заключается в разработке (корректировке, уточнении) правил использования емкости водохранилища для уменьшения высоты половодий и паводков, включая приемы оперирования одной и той же емкостью для совместного решения задач по трансформации половодий и паводков и по водообеспечению потребителей (повышению низкого стока).
Расчетный гидрограф половодья или паводков в гидравлических расчетах является главной исходной информацией. Его основные элементы (максимальный расход, объем стока основной волны и всего половодья или паводка) должны отвечать заданной вероятности превышения.
Заданная вероятность превышения элементов расчетного гидрографа, необходимая для получения оценок безопасности гидроузла водохранилища, определяется в зависимости от класса сооружений для двух расчетных случаев – основного и поверочного в соответствии со СНиП 33-01-2003:
-
Расчетные случаи
|
Классы сооружений
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
Основной
|
0,1
|
1,0
|
3,0
|
5,0
|
Поверочный
|
0,01*
|
0,1
|
0,5
|
1,0
|
* С учетом гарантийной поправки в соответствии со СП 33-101-2003.
|
При наличии ряда наблюдений форму расчетного гидрографа принимают по моделям наблюденных высоких весенних половодий или дождевых паводков с наиболее неблагоприятной их формой, для которых основные элементы гидрографов и их соотношения должны быть близки к расчетным. Рассматривается несколько моделей расчетного гидрографа, с тем, чтобы выбрать наиболее неблагоприятный с точки зрения срезки пикового расхода воды.
Основные элементы расчетного гидрографа стока воды рек: максимальный расход воды, объем весеннего половодья (дождевого паводка), объем основной волны расчетной вероятности превышения, а также продолжительность весеннего половодья (дождевого паводка), его основной волны, включающей максимальный расход, и другие параметры определяют по данным гидрометрических наблюдений согласно требованиям СП 33-101-2003.
Переход от гидрографа-модели к расчетному гидрографу заданной вероятности превышения путем умножения ординат гидрографа-модели на коэффициенты, определяемые по формулам:
k1 = Qp / Qm ;
k2 = (Vp – 86 400 Qp )/ (Vm – 86 400 Qm ) ;
k3 = (V'p – Vp)/ (V'm – Vm) ,
где Qm , Qp - максимальный среднесуточный расход воды весеннего половодья или мгновенный для дождевого паводка соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м3/с;
Vm и Vp - объем основной волны соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м3;
V'm и V'p - полный объем весеннего половодья (дождевого паводка) соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа, м3.
В случае если выше рассматриваемого водохранилища имеются гидроузлы с регулирующими водохранилищами, применяется следующая методика расчета гидрографов:
определяется объем стока половодья (паводка) расчетной вероятности превышения в створе гидроузла рассматриваемого водохранилища. При этом для определения статистических параметров стока используются данные наблюдений за полный ряд лет, включая годы после постройки вышерасположенных гидроузлов – за этот период приток к рассматриваемому (нижнему) гидроузлу ретрансформируется, т.е. приводится к естественным условиям;
выбираются годы с высокими половодьями (паводками), по моделям этих половодий (паводков) строятся гидрографы половодья (паводка) с частных водосборов (приток к самому верхнему гидроузлу и между гидроузлами), соответствующие объему половодья расчетной вероятности превышения в створе рассматриваемого (нижнего) гидроузла. При этом сохранияется естественное, имевшее место в конкретные многоводные годы распределение объемов и обеспеченностей половодного стока между участками бассейна. Обеспеченность максимальных расходов воды с частных водосборов принимается равной обеспеченности объема стока половодья (паводка), т.е. применяется принцип равнообеспеченности.
При разработке ПИВР необходимо рассмотреть и построить расчетные гидрографы по моделям нескольких высоких половодий (паводков) и провести по всем соответствующие гидравлические расчеты, с тем, чтобы действительно выявить самую неблагоприятную модель гидрографа.
На втором этапе решения гидравлических задач при разработке ПИВР выбираются методы (модели) выполнения гидравлических расчетов и настройка соответствующих параметров. В основе всех гидравлических расчетов, включая расчеты пропуска половодий и паводков, лежит решение в конечных разностях уравнений динамического равновесия и неразрывности потока (уравнений Сен-Венана). В зависимости от принимаемых упрощений этих уравнений для расчетов могут использоваться имитационные математические модели управления стоком половодья (паводка) в динамической или статической постановке.
При использовании статических моделей практически используется только уравнение неразрывности в сочетании с объемными (морфометрическими) характеристиками водохранилища и гидравлическими характеристиками пропускной способности сооружений гидроузла и его нижнего бьефа. В этом случае никаких особых настроек параметров модели не требуется.
При использовании динамических моделей используется и уравнение динамического равновесия с определенными упрощениями или без них. В этом случае в состав исходной информации входят характеристики пропускной способности русла на различных участках водохранилища и нижнего бьефа и объемные характеристики этих участков, а также задание начальных и граничных (в том числе внутренних) условий. В результате встает задача разбиения моделируемого объекта на гидравлически репрезентативные (с точки зрения решаемой задачи) участки, определения, подбора и уточнения гидравлических и объемных параметров в пределах каждого расчетного участка, правильного задания граничных условий (в том числе внутренних – пропускной способности ГТС) и, наконец, верификации (подтверждения адекватности модели) путем проведения расчетов по фактическим гидрографам.
Главной задачей водохозяйственного этапа при проведении гидравлических расчетов является проверка и уточнение правил пропуска высоких вод через гидроузел, включая и регламентированный уровень воды в верхнем бьефе водохранилища перед началом половодья (паводка), с тем чтобы во всех, даже наиболее неблагоприятных (расчетный и поверочный гидрографы) условиях эксплуатации, безусловно выполнялись критерии безопасности гидротехнических сооружений водохранилищ, включая максимально допустимые отметки наполнения водохранилища (ФПУ).
За основу на этом этапе принимаются правила регулирования режимов работы водохранилища (диспетчерские графики), полученные в результате ВХР и ВЭР по многолетнему стоковому ряду. В результате гидравлических расчетов должно быть получено расчетное обоснование обеспечения безопасности ГТС водохранилища при пропуске высоких вод при регулировании по заданным правилам (диспетчерским графикам), либо внесение изменений в эти правила (изменение координат зон диспетчерского графика) с последующим проведением ВХР и ВЭР по уточненным правилам.
В зависимости от продолжительности половодья (паводка) и его основной волны расчет выполняется по пятидневным, суточным или часовым расчетным интервалам по времени.
Расчет проводится для всей расчетной продолжительности половодья (паводка) по расчетному гидрографу. Расчет начинается с границы первого расчетного интервала времени, использовавшегося при проведении ВХР, предшествующего, либо включающего в себя календарную дату начала половодья для модельного гидрографа. В качестве начальных условий принимаются уровни и расходы воды, полученные при выполнении ВХР для года, гидрограф половодья (паводка) которого принят за модель расчетного гидрографа.
Расчеты кривых свободной поверхности водохранилища, являются частным случаем гидравлических расчетов движения воды в водохранилище при фиксированных граничных условиях (притоку воды в водохранилище – верхнее граничное условие и уровню воды у плотины гидроузла – нижнее граничное условие), т.е. установившегося движения воды, при котором решается только уравнение динамического равновесия.
В этих расчетах обычно применяют методы, основанные на использовании непосредственно характеристик пропускной способности русла, получаемых по данным гидрометрии. Исследуемое протяжение реки и водохранилища разбивается на ряд участков; средние значения геометрических и гидравлических характеристик русла и потока (площадь живого сечения при заданном расходе воды, уклон водной поверхности, коэффициент шероховатости) на каждом участке должны максимально соответствовать действительным значениям. Длина расчетных участков определяется исходной гидрологической и топографической информацией. При больших уклонах следует стремиться к сокращению длин участков путем выделения дополнительных, гидравлические характеристики которых принимаются по интерполяции. Падение уровня воды на участке при пропуске максимальных расходов должно составлять 0,4-1,0 м, предельный перепад, как правило, не должен превышать 1,5 м.
Один из наиболее широко используемых методов – метод кривых  где К - средний модуль пропускной способности участка, а Zср - уровень в середине этого участка длиной S. Показатель К может быть определен как среднее арифметическое модулей пропускной способности русла Кi=f(Zi) и Кi+1=f(Zi+1) в начале и конце участка, т.е. К=(Кi+Ki+1)/2. Модуль пропускной способности русла К в каждом створе вычисляется либо по кривой связи расходов и уровней воды Q=f(Z) и зависимости  либо гидравлическим способом по морфометрическим характеристикам русла и поймы с использованием формулы Шези-Маннинга  , где - площадь живого сечения, С - коэффициент Шези, R - гидравлический радиус. Вместо R обычно используется средняя глубина потока Н=/В, где В - ширина реки поверху. Для определения С можно воспользоваться, например, формулой Маннинга  . Точность вычисления в значительной степени зависит от достоверности оценки коэффициента шероховатости русла и поймы.
При разработке проекта ПИВР должны быть выполнены расчеты кривых свободной поверхности водохранилища на всем его протяжении вплоть до точки выклинивания подпора или до вышерасположенного гидроузла, а также для участков крупных притоков, находящихся в подпоре от водохранилища.
Расчеты выполняются для:
среднемноголетнего меженного расхода воды через гидроузел водохранилища при уровне воды у плотины гидроузла на отметке НПУ;
максимальных расходов воды половодья и паводков расчетной обеспеченности при соответствующих уровнях воды у плотины гидроузла (вплоть до ФПУ);
расходов половодья и паводков обеспеченностью от 10 до 1% при соответствующих уровнях воды у плотины гидроузла, полученных по результатам ВХР.
Особую группу гидравлических расчетов составляют расчеты уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла водохранилища при суточном и недельном регулировании режимов его работы (например, при регулировании мощности ГЭС). Здесь всегда имеет место неустановившееся движение воды и поэтому должны использоваться методы и модели расчета только в динамической постановке задачи. Соответственно для используемых моделей должны быть решены все вопросы динамической постановки, указанные в пункте 23 методических указаний.
В большинстве случаев краткосрочное (суточное и недельное) регулирование режима работы гидроузла связано с регулированием мощности ГЭС и влияет как на ее энергоотдачу, так и на хозяйственную и экологическую обстановку в верхнем и нижнем бьефах гидроузла. Поэтому задачами соответствующих гидравлических расчетов является получение оценок этого влияния и, в конечном счете, введение соответствующих ограничений по критериям водообеспечения других участников ВХК и сохранения водных и околоводных экосистем.
Иногда недельное регулирование имеет место при осуществлении навигационных попусков через гидроузлы для осуществления планового, так называемого, караванного пропуска через лимитирующие участки нижнего бьефа крупнотоннажных судов в условиях недостаточных запасов воды в водохранилище.
При выполнении расчетов неустановившегося движения воды в бьефах ГЭС при суточном и недельном регулировании ее мощности в качестве верхнего (внутреннего) граничного условия в створе ГЭС принимается график электрической нагрузки, пересчитываемый в расходы сбросов воды через гидроузел. В качестве нижнего граничного условия принимается кривая связи расходов и уровней воды в конце рассматриваемого участка, где влияние ГЭС практически не сказывается, либо уровень воды нижележащего водохранилища. Расчеты, как правило, проводятся по часовым расчетным интервалам времени.
|
