10476
.pdf31
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:
γс |
dϑ |
= |
d |
|
|
dϑ |
|
+ |
d |
λ |
dϑ |
+ |
d |
|
λ |
dϑ |
|
−γ |
|
|
dϑ |
+U |
|
dϑ |
+U |
|
dϑ |
|||
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
с U |
|
|
|
|
|
|
; |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
y |
|
z |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в в |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
dt |
|
dx |
|
dx |
|
dy |
|
dy |
|
dz |
|
dz |
|
|
|
dx |
|
|
dy |
|
|
dz |
уравнением кондуктивного теплопереноса с учетом фазовых превраще-
ний влаги в порах грунта в нефильтрующей зоне:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35 |
γс |
dϑ |
= |
d |
|
dϑ |
+ |
d |
|
λ |
dϑ |
+ |
d |
λ |
dϑ |
+ϖγ |
|
S dR . |
||||
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ск |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
dt |
|
dx |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
dz |
|
dz |
|
dt |
|||||
|
|
|
dy |
|
dy |
|
|
|
|
U |
|
= −k |
|
dH |
, |
|
|
U |
|
|
= −k |
|
dH |
, |
|
U |
|
= −k |
|
|
dH |
; |
|||||||||||||
x |
ф |
|
|
|
y |
ф |
|
|
|
|
z |
z |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|
dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dz |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
d |
|
dH |
+ |
|
d |
|
|
dH |
+ |
|
d |
|
dH |
= 0 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
, |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
dx |
ф dx |
|
|
dy |
ф |
dy |
|
|
|
dz |
ф |
dz |
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
40 |
|
|
Таблица 8.1 - Температура воды водохранилища ГЭС на р. Вача |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
Наибольшая глуби- |
Глубина опреде- |
Темпера- |
|
Дата |
воздуха, ºС |
на водохранилища |
ления температу- |
тура воды, |
|
|
|
при сработке, м |
ры воды, м |
ºС |
|
1.XI |
-3,4 |
18 |
9 |
0 |
|
18 |
0 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.XII |
-18,1 |
17 |
8,5 |
0,19 |
|
17 |
0,89 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.I |
-25,9 |
15 |
7,5 |
0,4 |
|
15 |
1,0 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.II |
-27,2 |
14,5 |
7,25 |
0,5 |
|
14,5 |
0,93 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.III |
-23,5 |
12,5 |
6,25 |
0,55 |
|
12,5 |
0,99 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.IV |
-14,7 |
11,5 |
5,75 |
0,49 |
|
11,5 |
0,85 |
|
|||
|
|
|
|
||
1.V |
-3,5 |
11,25 |
5,62 |
0,43 |
|
11,25 |
0,95 |
|
|||
|
|
|
|