10476

31

Рисунок 6.4 - Вилюйская ГЭС-1 на р. Вилюй

Рисунок 6.5 - Усть-Среднеканская ГЭС на реке Колыме

32

7.ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

7.1.Общие соображения

Важнейшим элементом проектирования гидротехнических сооружений являются расчеты температурного режима плотин и водосбросных сооружений на вечномерзлых основаниях. Расчеты температурного режима имеют очень важное значение для обоснования типа сооружения, расчетов устойчивости и прочности сооружения в целом и отдельных его элементов. Для ряда важней-

ших расчетных схем получены точные аналитические решения, позволяющие прогнозировать предельное (стационарное) температурное состояние нефиль-

трующей земляной плотины, а также решать задачу о формировании нестацио-

нарного температурного режима фильтрующей плотины. Предложены методы приближенных тепловых расчетов земляных плотин талого и мерзлого типов на основе конечно-разностной аппроксимации дифференциальных уравнений теп-

лообмена в фильтрующем грунте (уравнение Фурье— Кирхгофа) и в нефиль-

трующем грунте (уравнение Фурье).

Независимо от высоты плотины и мерзлотно-геологических условий ее основания необходимо выполнить комплекс термических расчетов, включаю-

щих: 1) анализ динамики оттаивания дна водохранилища; 2) построение конту-

ра предельной чаши оттаивания вечномерзлых пород, слагающих дно водохра-

нилища; анализ стационарного (предельного) температурного состояния веч-

номерзлых пород дна в зоне теплового влияния водохранилища и сооружений гидроузла; 3) анализ динамики оттаивания промороженного тела плотины мерзлого типа и вечномерзлых грунтов береговых склонов после заполнения водохранилища водой; 4) расчет стационарного (предельного) температурного режима мерзлой плотины, в частности определение положения нулевой изо-

термы — границы раздела талой (деформирующейся) и мерзлой (устойчивой)

зон профиля плотины; 5) расчет динамики роста мерзлотной завесы в плотине с замораживающими колонками, включающий определение средней темпера-

туры мерзлотной завесы конечной толщины, скорости движения воздуха в ко-

лонках и производительности вентиляторов.

33

7.2. Расчеты термического режима талых плотин

Расчеты температурного режима талой плотины должны включать: рас-

чет гидрооттаивания основания при фильтрации из водохранилища; расчет глу-

бины и скорости сезонного и многолетнего промерзания низового откоса и гребня плотины с учетом фильтрации в теле и в оттаивающем основании пло-

тины; расчеты толщины теплозащитных слоев; расчеты температурного режи-

ма противофильтрационных и дренажных устройств с учетом и без учета эф-

фекта теплозащитных слоев; прогноз изменения мерзлотных условий в резуль-

тате теплового влияния водохранилища на вечномерзлые грунты его дна и бе-

регов [5].

На основании этих расчетов должен составляться многолетний прогноз температурного режима плотины и определяться срок его стабилизации. Вбли-

зи сооружений гидроузла и других капитальных сооружений необходимо уста-

навливать динамику и предельное (стационарное) положение уреза воды в сильнольдистых берегах [5].

7.3. Расчеты термического режима мерзлых плотин

Теплотехнические расчеты мерзлых плотин рекомендуется выполнять в соответствии с [Рекомендации, приложениями 2 и 3], назначая расчетные ха-

рактеристики грунтов, воды, льда и воздуха по[5, приложению 1].

В этих рекомендациях приведены аналитические приближенные методы: - расчет стационарного температурного режима мерзлой плотины» про-

мороженной до заполнения водохранилища, и определение стационарного

(предельного) положения нулевой изотермы;

-теплотехнический расчет мерзлотной завесы в однородной земляной плотине без учета взаимного влияния колонок;

-определение скорости движения воздуха и производительности венти-

ляторов для замораживающих колонок;

- расчета средней температуры мерзлотной завесы.

34

7.4. Расчеты термического режима основания и дна водохранилища

Эти расчеты в [5] представлены расчетами:

- динамики оттаивания вечной мерзлоты под дном водохранилища (одно-

мерная задача);

-стационарного температурноого состояния грунтов дна водохранилища

иоснования плотины.

-динамики оттаивания промороженного берегового склона после запол-

нения водохранилища.

7.5. Методика исследования термического режима

Эта методика основывается на математической модели, разработанной при следующих предпосылках [10]:

так как температурное поле изменяется быстрее, чем фильтрационное,

фильтрация считается установившейся, а температурное поле – нестационар-

ным;

–фазовые превращения поровой влаги происходят при фиксированном значении температуры ϑф , т. е. не в спектре температур;

–мерзлый грунт считается нефильтрующим;

–поры грунтов заполнены влагой полностью;

–лучистый теплообмен, миграция влаги, движение воздуха и пара в по-

рах, а также фазовые превращения влаги в пар (возгонка), пара во влагу (кон-

денсация) или в лед (сублимация) из-за их малости не учитываются.

Математическая модель представляется уравнениями:

– конвективного теплопереноса в фильтрующей зоне:

уравнением кондуктивного теплопереноса с учетом фазовых превраще-

ний влаги в порах грунта в нефильтрующей зоне:

где kф - коэффициент фильтрации грунтов; ϑ - температура; λ - коэффициент теплопроводности; с, сВ - весовая теплоемкость, теплоемкость воды; S - тепло фазовых превращений вода-лед (по массе); R - относительная льдистость-

отношение объема мерзлого материала ко всему объему; γ - плотность; Н -

напор, пьезометрический напор; w - влажность грунта; γСК - плотность скелета грунта;

Система уравнений дополняется краевыми условиями – начальными и граничными.

Решение приведенных уравнений выполняется методом конечных разно-

стей. В качестве иллюстрации приведены результаты расчетов плотины на реке Ваче (рис. 8.3, 8.4).

36

Рисунок 8.3 - Температурное состояние плотины на р. Вача перед наполнением водохранилища

37

242

Рисунок 8.4 - Температурное состояние плотины на р. Вача в период эксплуатации

38

8.ВОДОХРАНИЛИЩА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Впериод эксплуатации водохранилища в криолитозоне:

-изменяется температурный режим грунтов долины реки, вместившей водохранилище – идет растепление грунтов, деградация мерзлоты;

-происходит оседание ложа водохранилища вследствие оттаивания льди-

стых грунтов основания, сопровождающегося их тепловой осадкой; - переформировываются оттаивающие нескальные мерзлые берега водо-

хранилища; - накапливаются в чаше водохранилища наносы и продукты разрушения

берегов.

Вследствие всего этого происходит изменение со временем морфометри-

ческих параметров водохранилища (объема и площади зеркала), могущие отра-

зиться на его отдача по воде и электроэнергии.

8.1. Температурный режим водохранилища

Температура воды водохранилища влияет на температуру подводных элементов гидротехнических сооружений в верхнем бьефе.

Термический режим воды предлагается определять из решения уравнения теплообмена в воде водохранилища, имеющему вид [10]:

∂ϑ = a ∂2ϑ , ∂t ∂z2

где а – коэффициент температуропроводности воды водохранилища.

При отсутствии ледяного покрова граничное условие на поверхности во-

ды может быть принято в виде [10]:

−λ∂ϑ/ ∂z =α(ϑэ −ϑпов),

где ϑэ - эквивалентная температура воздуха; ϑпов – приземная температура воз-

духа; α – коэффициент теплообмена

39

ϑэ=ϑ+(SR+Sи)/α,

где SR – радиационный баланс; Sи – теплоотдача испарением.

При наличии ледяного покрова граничное условие на поверхности воды упрощается:

ϑ=00С.

Наконец, температура подводных поверхностей в нижнем бьефе задается равной температуре воды, поступающей из водохранилища.

Граничное условие на дне водохранилища принимается как: - при отсутствии ледостава

∂ϑ = 0 , ∂z

- при наличии льда

∂ϑ = Sдн ,

∂z

где Sдн - плотность теплового потока на дне.

Решение уравнений температурного режима водохранилища осуществля-

ется методом конечных разностей.

8.2. Расчеты зимней температуры водохранилища

Эти расчеты выполнялись для водохранилища на реке Ваче.

Температурный режим воздуха в районе п. Вача приведен в табл. 2.2; па-

раметры водохранилища следующие: НПУ=667,5 м БС; УМО=658,0 м БС; от-

метка дна у плотины 650,0 м БС; полный объем 9,9 млн м3, мертвый объем 0,5

млн м3.

Результаты расчетов температуры воды водохранилища представлены в

табл. 8.1.