Методические указания по пропуску льда через строящиеся гидротехнические сооружения со 34. 21. 145-2003 (стр. 2 из 15)
kp — коэффициент горизонтальной составляющей пассивного давления обломков льда;
LD — длина навала льда, м;
l, l1 — длина льдины, длина полос льда, отделяющихся от ледяных полей на гидравлических перепадах уровня воды - на сосредоточенных перепадах и на кривой спада, м;
m — коэффициент формы передней грани ледореза в плане;
mв — заложение верхового откоса шпоры;
n — общая облачность, в долях единицы;
n, n1, n2 — коэффициенты шероховатости водотока, его дна и нижней поверхности льда;
Q, Q3, Qл — расход воды, расходы воды под ледяным покровом и при открытой водной поверхности, м3/с;
(Q +q)0 — суммарная солнечная радиация на уровне воды при альбедо, равном нулю, Вт/м2;
R, Ri — гидравлический радиус русла без и при наличии ледяного покрова соответственно, м;
Rc — прочность льда на сжатие, МПа;
Rf — предел прочности льда на изгиб, МПа;
R0 — прочность льда на сжатие на момент вскрытия реки ниже сооружений, МПа;
r — удельная теплота плавления льда, Дж/кг;
SS — плотность суммарного теплового потока на верхней и нижней поверхностях ледяного покрова, Вт/м2;
SR — плотность радиационного теплового потока на верхней поверхности льда, Вт/м2;
Tn, TJ — абсолютные температуры поверхности воды и воздуха, °С;
tb — температура льда на границе лед - вода, °С;
tu — температура на границе снег (воздух) - лед, °С;
V — объем навала льда, м3;
v — скорость течения воды, м/с;
vi — скорость движения льдин, м/с;
vo — скорость течения воды выше сооружения, м/с;
z — сосредоточенный перепад, м;
zв — максимальное понижение свободной поверхности в створе напорной грани гребенки, м;
Dz — перепад уровней воды, м;
aв, aвозд — коэффициент теплоотдачи вода - лед и лед - воздух соответственно, Вт/м2·°С;
b — угол наклона ледорезной напорной (передней) грани сооружения или его элемента к горизонту, град;
J — температура воздуха, °С;
li — теплопроводность льда, Вт/(м·К);
ls — теплопроводность снега, Вт/(м·К);
ri — плотность льда, кг/м3;
rw — плотность воды, кг/м3;
s — постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,77·10-8 Вт/(м2·К4);
t — время, с;
yr - пористость нагромождения обломков льда.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОПУСКА ЛЬДА ПО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ОСОБЕННОСТЯМ РАБОТЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
2.1. Непосредственный пропуск льда следует осуществлять, как правило, на начальных этапах строительства гидроузла через стесненное перемычками русло или через гребенку с низким порогом, через гребень перемычек или строящейся нижней части плотины или при эксплуатации сооружений, работающих с относительно небольшим перепадом бьефов. Такой пропуск льда может применяться в некоторых случаях при значительном перепаде бьефов и малой интенсивности ледохода, когда размеры и толщина, а также прочность льдин невелики.
Частичное задержание льда в верхнем бьефе перед последующим его пропуском через сооружения при повышении температуры окружающей среды способствует снижению его прочности, разрушению на подходе к сооружениям и в их пределах.
2.2. Условия ледохода полностью определяются гидравлическим режимом на следующих участках русла реки и сооружений:
верхний бьеф на участке, примыкающем к сооружениям;
подходной участок (канал);
водопропускные сооружения;
отводящий участок (канал);
нижний бьеф.
В пределах каждого сооружения следует различать входной участок, тракт сооружения, его выходной участок. На входном участке сооружений скорости течения существенно возрастают, а на выходном могут значительно уменьшаться. В отдельных конкретных сооружениях некоторые из этих участков могут отсутствовать или совмещаться.
При рассмотрении режимов прохождения льда необходимо учитывать условия истечения через водопропускные сооружения, схемы которых представлены на рис. 1.
2.3. Гидравлические параметры работы водопропускных сооружений при той или иной схеме истечения должны устанавливаться на основе методов расчета, приведенных в П-18-74 и других руководствах, например [1, 2]. Условия транспорта льда при различных схемах его пропуска определяются расходами воды в ледоход, значениями поверхностных скоростей течения и их направлением относительно сооружений, глубинами потока на подходе к сооружениям и в их пределах, напором на гребне водослива, заглублением потолка глубинных трубчатых водосбросов и туннелей под уровень верхнего бьефа, состоянием свободной поверхности потока перед сооружением (формой кривой свободной поверхности, наличием остановившихся волн), возникновением вихревых воронок на входе в сооружение.
Рис. 1. Схемы истечения при пропуске льда через водопропускные сооружения
а — незатопленное истечение через водослив со стенкой практического профиля;
б — незатопленное истечение через водослив с широким порогом; в — затопленное истечение через водослив со стенкой практического профиля; г — затопленное истечение через водослив с широким порогом; д — истечение через безнапорный закрытый водосброс с затопленным входом; е — безнапорный закрытый водосброс с истечением из-под затвора;
ж — водослив с истечением из-под затвора; з — закрытый водосброс с напорным режимом течения
2.4. Схемы пропуска расходов воды и льда зависят от района расположения гидроузла, типа, состава и компоновки его сооружений, стадии строительства и режима эксплуатации. Основные схемы пропуска ледохода через сооружения гидроузлов и их гидравлические особенности приведены в таблице Приложения 1.
2.5. Пропуск льда через суженное перемычками русло реки происходит в гидравлических условиях истечения, характерных для водослива. Такие гидравлические условия работы сооружения, как правило, относятся к водосливам без порога, которые в свою очередь являются разновидностью водослива с широким порогом. В зависимости от степени стеснения русла перемычками и природных условий реки (расход, уклон реки и т.п.) на участке суженного русла может устанавливаться неподтопленный и подтопленный режимы истечения.
В случае неподтопленного режима истечения у входа в суженный участок русла наблюдается водопадная область, в которой поток переходит из спокойного в бурное состояние. В этой области с сосредоточенным на короткой длине перепадом уровней воды ледяные поля, имеющие ширину большую, чем ширина сужения, разламываются на части и беспрепятственно проходят в нижний бьеф сооружения. При подтопленном режиме истечения перепад уровней воды на входе в сужение невелик. В этом случае пропуск ледяных полей с шириной больше ширины сужения русла может быть обеспечен, если кинетическая энергия льдин достаточна для их разрушения при ударах о перемычку и борта, ограничивающие это сужение.
2.6. Пропуск льда через гребенки строящихся бетонных плотин. Для этой схемы пропуска льда следует различать два типа конструкции гребенки и два вида гидравлического режима на подходе к гребенке: с существенным перепадом непосредственно перед гребенкой или без перепада. Порог гребенки может располагаться непосредственно у дна реки - гребенка с низким порогом. Гидравлические условия ее работы отвечают случаю истечения через водослив с широким порогом. Если истечение через такую гребенку является неподтопленным, то на входе у сооружения образуется водопадная область со значительным перепадом уровней, на котором происходит разлом крупных ледяных полей. При подтопленном истечении через гребенку с низким порогом пропуск крупных ледяных полей возможен лишь при их низкой прочности и запасе кинетической энергии льдин, достаточной для их раскалывания или прорезания быками.
Гребенка с высоким порогом в большинстве случаев работает при неподтопленном режиме истечения как водослив со стенкой практического профиля или как водослив с широким порогом. На подходе к такой гребенке ледяные поля разрушаются в пределах водопадной области у сооружения.
В некоторых случаях верховой оголовок быков гребенки по тем или иным причинам смещают за пределы ее напорной грани в верхний бьеф. В этом случае даже при неподтопленном режиме истечения через гребенку условия пропуска льда через сооружение могут существенно ухудшиться, так как водопадная область может образовываться лишь между быками, а это в существенной мере затруднит разрушение крупных ледяных полей.
2.7. Пропуск льда через глубинные трубчатые водосбросы существенным образом определяется гидравлическим режимом их работы. Условия пропуска льда через безнапорные трубчатые глубинные водосбросы полностью аналогичны пропуску льда через гребенку бетонной плотины.
При пропуске льда через глубинные трубчатые водосбросы с затопленным входом сосредоточенный перепад перед сооружением отсутствует, дробление льдин происходит при их ударе о быки, под влиянием вихревых воронок и под напором надвигающихся с верхнего бьефа масс льда. Через глубинные водосбросы проходит лишь ослабленный раздробленный лед, его пропуск происходит более успешно, если перед входными оголовками глубинных водосбросов образуются вихревые воронки. Вихревые воронки возникают перед входом в сооружение при наличии выдвинутых вверх по течению быков и косом подходе потока к водосбросам.