Судольский Георгий
Заведующий лабораторией «Гидравлика сооружений, русел и акваторий», кандидат технических наук
«Вода камень точит»: зачем специалисты ВНИИГ строят в стенах института модели ГЭС
Почему в цифровую эпоху до сих пор нужны модели из бетона и оргстекла и как можно создать наводнение в гидравлической лаборатории, узнали у Георгия Судольского.
- Расскажите, какие вопросы решают специалисты с помощью физических моделей?
- Крупные ГЭС сбрасывают огромное количество воды - это колоссальный напор. Необходимо предусматривать соответствующие конструкции сооружений, чтобы не было размывов в нижнем бьефе. Также мы рассматриваем различные варианты пропуска расходов через водосбросные сооружения - определяем, в каком порядке следует открывать затворы. Ведь нам нужно, помимо защиты от размывов, поддерживать достаточный уровень воды в водохранилище, чтобы станция вырабатывала энергию. Выполняем работы и для строящихся уникальных объектов. Например, в Таджикистане сейчас строят рекордную по размерам Рогунскую ГЭС с высотой плотины более 300 метров. Когда возведут, она станет самой высокой плотиной в мире - такой даже у китайцев нет. Строят ее, как и любое другое гидротехническое сооружение, этапами: сначала возводят плотину на высоту 10 метров, потом еще на 100 метров и так далее. Русло реки перегораживается, но приточную воду все равно нужно пропускать через строящуюся плотину. На первом этапе достаточно было пропуска воды через турбины, которые вырабатывают ток. Сейчас же, когда высота плотины достигла 150 м, вода будет отводиться по специальным туннелям, а процессы, которые при этом происходят, мы и моделируем в лаборатории. Бетонные туннели моделируем в лаборатории с помощью труб из прозрачного пластика.
- Насколько эти модели похожи на реальные сооружения?
- Для получения результатов необходимо максимально точное соответствие модели объекту в натуре, конечно, с учетом масштаба. По сути, каждая модель - это уменьшенная в определенное количество раз копия сооружения. С учетом этого подбираются материалы для моделирования натурных сооружений и рельефа местности и русла реки, технология их изготовления. Основные сооружения строятся из оргстекла, так как оно по своей шероховатости при пересчете на натурный объект соответствует шероховатости бетонной поверхности. Кроме того, что просто невозможно увидеть в натуре: мы сквозь прозрачные стенки трубы из оргстекла можем наблюдать режим течения воды в закрытом туннеле. Рельеф русла реки мы по-прежнему воспроизводим из бетона. Сложные конструкции, которые тяжело воспроизвести из оргстекла, в последние годы мы печатаем на 3D-принтере. Например, модель Новосибирской ГЭС, водосбросная плотина и донные водосбросы которой имеют очень сложную форму, у нас на 80 процентов построена при помощи 3D-печати.
- Правда ли, что гидроэлектростанции не только вырабатывают электричество, но и спасают от наводнения?
- Все верно! Например, на притоках рек, которые впадают в Амур, стоит более 10 плотин - они и ток дают, и от наводнений защищают. Зейская ГЭС - одна из них, мы как раз для этой станции строим модель, которая будет в 50 раз меньше, чем в натуре. Для того чтобы регулировать уровень воды в водохранилище, осуществляются холостые сбросы: когда вода идет не через турбины, а пропускается через водосбросные сооружения. Для защиты от наводнений приточные расходы не сбрасываются вхолостую, а накапливаются в водохранилище. Смоделировать такой режим работы станции - весьма сложная задача. Следует также отметить, что в проекте закладывается большой запас прочности сооружений для пропуска паводков редкой повторяемости. Например, для той же Зейской ГЭС мы моделируем паводок, который может произойти один раз в 10 000 лет. Такой паводок может никогда не случиться, а может и завтра произойти. И мы к этому событию готовы.
- А как насчет инноваций?
- Например, для Богучанской ГЭС на реке Ангаре - одной из крупнейших на всей территории России, была предложена конструкция ступенчатого водосброса, которая обосновывалась на модели в нашей лаборатории. Это когда вода стекает сверху вниз не по прямой поверхности водосброса, а по гигантским ступеням высотой в полтора метра. Водосброс такой конструкции и такого масштаба в суровых климатических условиях возводился впервые не только в рамках нашей страны, но и в мировой практике. Еще один пример - способ гашения энергии воды с помощью системы туннелей на Рогунской ГЭС, так называемый вихревой водосброс. Из верхового горизонтального подводящего туннеля вода к вертикальной шахте подводится по касательной. За счет образования в вертикальной шахте водяной воронки удается погасить энергию потока: вода свободно поступает в отводящий туннель. Мы испытываем такую систему в нашей лаборатории.
- И все же, почему физические модели до сих пор используются, когда суперкомпьютер может просчитать практически все?
- Все, да не совсем. Целый ряд вопросов можно решить только с помощью физического моделирования, так как нюансы видны только на натуре. Для крупных объектов первого и второго класса гидравлическое обоснование на физических моделях требуется нормативными документами. Но иногда заказчики даже небольших объектов, например, какой-нибудь малой ГЭС, тоже хотят иметь физическую модель. И это неудивительно. На физической модели наглядно видно, как будет работать сооружение. В последнее время мы используем гибридное моделирование - это когда математическая модель проходит апробацию на физической модели.