О Правилах и расчетах пропуска высоких вод по ним

Принципиальное различие пропуска высоких и рядовых вод заключается в том, что пропуск высоких вод в нашей стране выполнять пока не приходилось. Именно поэтому расчетам пропуска высоких вод не придается особого значения, ошибки в расчетах остаются не выявленными длительное время и тиражируются на новых объектах. О влиянии ошибок в расчетах пропуска высоких вод на пропуск рядовых вод мною написано много, в том числе на сайте "Плотина. Нет!". В данной статье расскажу подробнее о трансформации Правил, оказывающих негативное влияние на расчеты пропуска высоких и рядовых вод.

Принципиальное различие порожнего полезного объема и порожнего резервного объема водохранилища заключается:

– порожний полезный объем, если он рассчитан верно, при пропуске высоких вод позволяет принять в течение года два объема притока воды вероятностью превышения 0,1%: один в период пропуска половодья, а другой в течение пропуска дождевых паводков;

– порожний полезный объем в течение года заполняется и опоражнивается за счет разницы расхода притока и расхода воды через турбины без выполнения холостого сброса воды;

– порожний резервный объем, если он рассчитан верно, при пропуске высоких вод позволяет принять (задерживать на короткое время) всю разницу объема притока в дождевой паводок вероятностью 0,01% + ? и 0,1%: половину объема при заполнении и вторую половину при опорожнении;

– порожний резервный объем в течение года может заполняться и опоражниваться два-три раза в течение дождевых паводков в июле, августе и сентябре за счет разницы притока и сбросного расхода воды в нижний бьеф, то есть с выполнением холостого сброса воды.

Следует различать предполоводную сработку полезного объема водохранилища, которая учитывается в расчетах пропуска высоких вод и на практике выполняется без холостого сброса воды, и холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища, который является основным резервом гидрологической безопасности и часто ошибочно используется при выполнении расчетов пропуска высоких вод для компенсации недостатка порожнего полезного водохранилища.

Следует различать работу турбин с надежно гарантированным средним расходом воды в период заполнения полезного объема водохранилища, который включается в расчет пропуска высоких вод, и необходимость одновременной работы всех или большей части турбин, которая является дополнительным резервом при возникновении непредвиденных обстоятельств.

В справочнике "Гидроэлектростанции Советского Союза" 1967 года издания приведены основные сведения практически по всем гидроузлам, включая самые перспективные гидроузлы будущего [1]. По всем гидроузлам указаны расчетные сбросные расходы воды в нижние бьефы, рассчитанные для притоков воды вероятных 1 раз за 1000 лет (при ежегодной вероятности превышения расхода притока воды 0,1%), то есть для основного расчетного случая.

Например, для Красноярского гидроузла расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф (0,1%) составлял 33400 м³/с при НПУ 243,0 м и полезном объеме водохранилища 30,4 км³, для Саяно-Шушенского гидроузла 19100 м³/с при НПУ 540,0 м и полезном объеме водохранилища 15,3 км³, для Куйбышевского (Жигулевского) гидроузла 67000 м³/с при НПУ 53,0 м и полезном объеме водохранилища 34,6 км³.

Если гидроузел строился раньше, чем многие гидроузлы в верховье, то пропускную способность гидроузла увеличивали. Например, пропускная способность Куйбышевского (Жигулевского) гидроузла была увеличена до 87000 м³/с.

В справочнике, естественно, отсутствовали форсированные подпорные уровни (ФПУ), необходимость в которых тщательно обосновывалась при дальнейшем проектировании. Учитывались местные условия: неравномерность притока воды, вероятная величина расхода и объема притока воды в трудно прогнозируемые дождевые паводки, возможность увеличения высоты плотины и т.д.

Сегодня в официальных источниках по Саяно-Шушенскому гидроузлу указываются:

По сведениям РусГидро: УМО 500,0 м, НПУ 537,5 м, ФПУ 537,5 м, полезный объем водохранилища 13,815 км³, резервный объем водохранилища отсутствует.

По сведениям Росводресурсы и Енисейского БВУ: УМО 500,0 м, НПУ 539,0 м, ФПУ 540,0 м (544,5 м – проектный ФПУ по уточненному диспетчерскому графику АО Ленгидропроекта № 17-03-345 от 12.08.2003 г).

Прежние СНиП 2.06.06-85 (введены взамен СНиП II-54-77) предписывали:

3.29. Длину водосливного фронта плотины, размеры и число пролетов поверхностных и глубинных водопропускных устройств следует принимать на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов в зависимости от величины сбросного расхода основного расчетного случая и изменения уровней воды в нижнем бьефе, вызываемого деформациями русла и берегов.

5.29. Исходя из основного расчетного случая на основании технико-экономических расчетов устанавливаются общая длина водосливного фронта, типы, число и размеры поперечных сечений водопропускных сооружений, значения удельных расходов воды, основные параметры сооружений нижнего бьефа.

5.31. Величины и порядок открытия затворов следует назначать исходя из необходимости получения в нижнем бьефе условий, которые не потребуют дополнительных мероприятий для защиты сооружений и прилегающих к ним участков русла по сравнению с основным расчетным случаем.

Именно поэтому в справочнике “ Гидроэлектростанции Советского Союза” 1967 года выпуска по всем гидроузлам расчетный максимальный сбросной расход воды в нижние бьефы указан для ежегодной вероятности превышения расхода притока воды 0,1%, то есть для основного расчетного случая.

Расчеты пропуска расходов притока вероятностью превышения менее 0,1% (0,01% и 0,01 + ?) заключались в определении резервного объема водохранилища, способного снизить расход притока воды до величины расчетного сбросного расхода воды в нижний бьеф (0,1%), указанного в справочнике.

В 1972 году было утверждено "Положение о порядке использования водных ресурсов водохранилищ СССР", в состав которого впервые был включен раздел № 9, определяющий порядок пропуска высоких вод через сооружения гидроузла [2].

Казалось бы, что поправки, вносимые в новые редакции строительных норм и правил (СНиП) после 1972 года, когда впервые обратили внимание на особенности расчета пропуска высоких вод, должны были ужесточать требования к расчетам. Но на самом деле все пошло, наоборот, на снижение этих требований.

“Срезка высоких половодий водохранилищами производится, как правило, на ветви подъема гидрографа при превышении расходом притока Q_прит допустимого или заданного значения. Когда Q_прит на ветви спада становится равным максимальному сбросному расходу воды, подъем уровня воды в водохранилище (у плотины) прекращается. Если расход притока воды превышает расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф, то разрешается кратковременное заполнение резервного объема водохранилища. При дальнейшем понижении притока и сохранении тех же максимальных Q_сбр уровень воды в водохранилище снижается до НПУ”, – разъясняют суть процесса регулирования методические указания [2].

В этом разъяснении отсутствует одно очень важное предложение (допечатано красным цветом). По этому разъяснению получается, что максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф рассчитывается при заполнении водохранилища до ФПУ. По сути, роль резервного объема водохранилища в расчетах пропуска высоких вод сведена к простой добавке к полезному объему водохранилища. Между тем, резервному объему водохранилища обязана отводиться особая роль в пропуске высоких вод.

Если прежние СНиП 2.06.01.86 “Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования” п.2.12 предписывали:

“Пропуск расчетного расхода воды для поверочного расчетного случая надлежит обеспечивать при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ)”.

То в новые СНиП 33-01-2003 “Гидротехнические сооружения. Основные положения” п. 5.4.4 внесены, на первый взгляд, малозначительное изменение формулировки и уточнение:

Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осуществляться при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ).

Вместо пропуска расчетного расхода воды, определяемого при вероятности превышения 0,1% (основной расчетный случай), оказывается, что теперь необходимо осуществлять пропуск поверочного сбросного расхода воды, определяемого при вероятности превышения 0,01% + ? (поверочный расчетный случай), который почти в два раза выше первого.

Учебники разъясняют:

“В период половодья (паводка) в целях предотвращения наводнения в нижнем бьефе часть излишков воды временно задерживается в водохранилище. При этом происходит некоторое превышение уровня воды сверх НПУ, то есть уровень воды повышается до отметки форсированного подпорного уровня (ФПУ), а между ФПУ и НПУ образуется объем форсировки V_ф. Максимальные расходы уменьшаются, паводок трансформируется (распластывается) в гидрограф сбросных расходов”, [3].

Расчетные расходы и объемы стока воды с площади водосбора 179000 км² в Саяно-Шушенское водохранилище, откорректированные Ленгидропроектом ([4], стр. 16) и приведены в таблице 1. Эти сведения будут использованы ниже для расчета полезного объема, резервного объема и расчетного максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф.

Таблица 1

По прежним СНиП 2.06.01.86 п. 2.11 и новым СНиП 33.01-2003 п. 5.4.3 пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая (половодье и дождевые паводки ежегодной вероятностью превышения 0,1%) должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ).

Согласно СНиП расчеты пропуска половодий и дождевых паводков обязаны исходить из выполнения обязательного условия: заполнение порожнего объема водохранилища от УМО до НПУ должно начинаться и проходить при надежно гарантированном среднем расходе воды через турбины ГЭС, но без выполнения холостого сброса воды.

Для выполнения такой роли порожний полезный объем водохранилища обязан принимать весь объем притока воды в половодье (длительность половодья на Енисее 30 суток) за вычетом объема, использованного при среднем надежно гарантированном расходе воды через турбины.

Для Саяно-Шушенского гидроузла полезный объем водохранилища должен быть равным 25,9 – 5,44 = 20,46 км³, где 25,9 км³ – объем притока воды в половодье длительностью 30 суток при ежегодной вероятности превышения 0,1% (таблица 1), а 5,44 км³ – объем воды через турбины в течение половодья длительностью 30 суток.

Для выполнения вышеуказанной миссии резервный объем водохранилища должен быть равен половине разницы объемов притока воды в половодье ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? и 0,1%.

Для Саяно-Шушенского гидроузла резервный объем водохранилища обязан быть равным (34,1 – 25,9) : 2 = 68,2 – 60,0) : 2 = 4,1 км³ (таблица 1).

Максимальный расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф обязан быть не выше разницы расходов ежегодной вероятностью превышения 0,01% + ? и 0,1%.

Для Саяно-Шушенского гидроузла расчетный сбросной расход воды в нижний бьеф при наличии полезного объема водохранилища 20,46 км³ и резервного объема 4,1 км³ не мог быть выше 23900 – 17600 = 6300 м³/с (таблица 1).

Трансформация половодий и дождевых паводков производится водохранилищем с целью задержки пиковой части паводка и уменьшения наводнения на реке ниже водохранилища.

В новых Правилах нет различия между предполоводной сработкой полезного объема водохранилища, которая учитывается в расчетах пропуска высоких вод и на практике выполняется без холостого сброса воды, и холостым сбросом воды с пониженного уровня водохранилища, который ошибочно используется при выполнении расчетов пропуска высоких вод параллельно с заполнением полезного объема водохранилища.

Прежние СНиП 2.06.01-86 “Гидротехнические сооружения. Основные положения” п.п. 2.11, 2.12 обязывали пропуск расчетных расходов воды обеспечивать при одновременной работе всех турбин ГЭС.

В СНиП 33-01-2003, п.5.4.3 введенных взамен СНиП 2.06.01-86, изменены требования к учету пропускной способности гидроагрегатов в расчетах пропуска высоких вод. Теперь величина расхода воды через турбины должна быть обоснована при проектировании каждого конкретного гидроузла в зависимости от количества агрегатов гидроэлектростанции, условий ее работы в энергосистеме, вероятности аварийных ситуаций на ГЭС, а также фактического напора на ГЭС.

Это Правило изменено, потому что работа турбин ошибочно представляется необходимой для срезки пика половодья, а на самом деле кратковременная работа всех турбин должна решать проблему срезки трансформированного (сниженного) в порожнем полезном объеме водохранилища пика расхода притока воды.

Расчетные максимальные сбросные расходы воды в нижний бьеф и уровни водохранилища при пропуске весеннего половодья и дождевых паводков через сооружения Саяно-Шушенского гидроузла по расчетам Ленгидропроекта (таблица 2, заимствованная в [4], стр. 457), выполненным с учетом заполнения водохранилища до уровня 539,5 м и холостого сброса воды, начиная с уровня 510,0 м, оказываются почти в два раза выше пропускной способности нижнего бьефа, представляющего Майнское водохранилище суточного регулирования.

Таблица 2

® Допускается снижение расхода через водосбросы до 4900 м³/с, что приведет к повышению УВБ до отметки 539,5 м.

Раннее включение водосбросов в работу (® к таблице 2) означает необходимость начала холостого сброса воды не позже 20 мая с уровня 520,0 м при прогнозе притока воды в половодье ?30 км³ или с уровня 510,0 м при прогнозе притока ?30 км³ (таблица 3, [4], стр.456) с расходом воды по напору и со средним расходом воды через водосбросы не ниже 11050 м³/с в течение всего периода пропуска высоких вод (таблица 4).

Таблица 3

Расчет среднего расхода воды через эксплуатационный и дополнительный береговой водосбросы, м³/с при изменении напора (таблица 4).

Таблица 4

® Расход воды через оба водосброса

Чрезвычайно важный вывод был сделан на научно-технической конференции в 1986 году, которая обсуждала проблемы Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса: “В процессе строительства схема пропуска расходов уточнялась, и продолжительность работы водобойного колодца увеличивалась. Это привело к отрицательным последствиям, оценить заблаговременно которые не представлялось возможным”,[5],стр.10.

Пропуск рядового притока воды в 2006 году сопровождался работой водосброса Саяно-Шушенской ГЭС в течение 72 суток, пропуск высоких вод в нынешних условиях будет продолжаться значительно дольше со сбросным расходом 13300 м³/с и выше.

Отрицательные последствия уточнения схемы пропуска расходов, к сожалению, недооценены до сих пор. Ярким примером может служить создание Майнского водохранилища, создающего подпор, и строительство дополнительного берегового водосброса вместо дополнительного водохранилища в верховье.

Если заполнение водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС будет разрешено только до уровня 537,5 м, то начинать холостой сброс воды следовало еще раньше. На 28 мая 2013 года уровень воды в водохранилище 515,45 м, то есть “точка невозврата”, о которой говорил Б.Н.Юркевич, уже пройдена.

Литература:

[1] “Гидроэлектростанции Советского Союза”, Часть 1, Справочник, типография института Гидропроект, М., 1967г.

[2] Методические указания по составлению правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций, введенные с 01.01.2000

[3] В. Е. Мусохранов, Т. Н. Жачкина, Регулирование стока половодий и паводков.Барнаул : Изд-во АГАУ, 2007.

[4] А.И.Ефименко, Г.Л.Рубинштейн “Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС”. СПб: Изд-во ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева», 2008.

[5] Решение проблем Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. Материалы научно-технической конференции 1986 года, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС (1978 – 2001 гг.), участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 01.06.1962 года,
специально для "Плотина.Нет!"