Глава 3 Проектирование гидроэлектростанций

3.1. Общие вопросы проектирования и инженерные изыскания

На самой начальной стадии проектирования необходимо выявить все заинтересованные ведомства и организации в сооружении гидроузла, определить доли капиталовложений каждого участника и получить их согласие на инвестиции данного проекта.

При проектировании ГЭС. в том числе ГАЭС должны быть четко сформулированы конечные цели, достижение которых гарантируется после возведения этих объектов на текущее время и дадьнюю перспективу, главными из которых являются:

- обеспечение электроэнергией потребителей с учетом развития энергосистемы;
- решение задач регулирования параметров электрической сети энергосистемы, а также водотока в интересах всех водохозяйственных потребителей;
- сооружения и оборудование должны обеспечить необходимую надежность, безопасность и минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду;
- проектируемые конструкции и оборудование должны соответствовать реальным возможностям строительно-монтажных организаций;
- технические решения должны соответствовать требованиям экономичности.

Проектирование гидроэлектростанций в России регламентируется системой нормативных документов в строительстве.

К ним относятся: строительные нормы и правила (СНиП); государственные стандарты РФ в области строительства (ГОСТы); своды правил по проектированию и строительству (СП): производственно-отраслевые нормативные документы.

Строительные нормы и правила устанавливают обязательные требования, определяющие цели, которые должны быть достигнуты, и принципы, которыми необходимо руководствоваться в процессе создания строительной продукции. Своды правил устанавливают рекомендуемые положения в развитие и обеспечение обязательных требований СНиП и ГОСТ.

Производственно-отраслевые нормативные документы (ВСН - ведомственные строительные нормы, правила, методики, инструкции) распространяются на один или несколько видов строительной продукции (транспортные. мелиорационные, гидроэнергетические и другие сооружения) и детализируют требования СНиП и СП применительно к конкретному типу сооружений.

Каждая крупная гидроэлектростанция представляет собой уникальный природно-технический комплекс. Уникальность каждого водотока, невозможность точного прогноза (предсказания) всех природных явлений, сопутствующих работе ГЭС. условности используемых расчетных моделей, традиции определенной школы проектирования, возможности и квалификация строительной организации и многие другие факторы приводят к тому, что проекты ГЭС не могут иметь однозначного решения. Например, проектировщики и строители ГТС во Франции тяготеют к облегченным ажурным конструкциям, а проектировщики и строители России и США - к более массивным и материалоемким конструкциям.

В связи с этим оказывается неизбежным вариантный метод проектирования с достаточно подробной разработкой большого числа возможных вариантов, обеспечивающих надежность результатов. Число вариантов может быть очень большим, что приводит к возрастанию объема проектной работы, но помогает получить наилучшее решение - это является главным в проектном деле. При этом внимание должно быть акцентировано на обеспечении надежности эксплуатации и ремонтопригодности всех конструктивных элементов сооружений и оборудования ГЭС, и только с учетом этого определяющего критерия для сравнения вариантов должен проводиться экономический анализ.

3.2. Выбор типов и размеров сооружений ГЭС

Типы и размеры сооружений назначаются из условий обеспечения их устойчивости, механической и фильтрационной прочности при действии на систему «сооружение - основание» всевозможных нагрузок и воздействий.

После того, как разработана схема регулирования стока с целью выработки электрической энергии и удовлетворения нужд других водопользователей и водопотребителей, обоснована экономическая целесообразность и экологическая безопасность строительства, выбирается тип конструкции гидротехнического сооружения и его основные размеры. Размеры назначаются, исходя из инженерных расчётов устойчивости, механической и фильтрационной прочности сооружения, а также пропускной способности водосбросных и водопропускных сооружений.

Устойчивость сооружения - свойство находиться в равновесии под действием приложенных сил (не сдвигаться и не опрокидываться). Механическая прочность материала конструкции и её основания - свойство сопротивляться разрушению (нарушению сплошности).

Фильтрационная прочность - свойство материалов сооружения и основания сопротивляться выносу и деградации под воздействием фильтрующейся через них воды.

Инженерные расчёты ГТС на прочность и устойчивость проводятся в соответствии с действующими СНиП. Современные СНиП базируются на концепции расчётов гидротехнических сооружений по двум группам предельных состояний.

Предельными называют состояния сооружений, при которых они теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые повреждения. Задача инженерных расчётов - выбрать такие конструкции и размеры, чтобы не допустить наступления предельных состояний под воздействием нагрузок, регламентированных нормами для сооружений соответствующего класса.

Предельные состояния первой группы - состояния, при которых сооружение становится непригодным к эксплуатации в результате угрозы прорыва напорного фронта из-за:

- потери устойчивости;
- хрупкого или пластического разрушения материала;
- деградации материала под воздействием фильтрующейся воды;
- неконтролируемого перелива воды через гребень из-за недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений.

Предельные состояния второй группы - состояния, при которых сооружение непригодно к нормальной эксплуатации из-за:

- недопустимых перемещений и деформаций, образования трещин, раскрытия швов;
- местных нарушений фильтрационной прочности;
- повреждений отдельных элементов конструкции, не приводящих к угрозе прорыва напорного фронта.

Наступление предельных состояний первой группы влечёт за собой необходимость срочного вывода сооружений из эксплуатации. При наступлении предельных состояний второй группы допускается временная (вплоть до устранения неисправностей) эксплуатация сооружений; однако требуется разработка специальных щадящих режимов эксплуатации, а также принятие мер по выявлению и устранению неисправностей.

Чтобы проверить недопущение предельного состояния необходимо:

- знать нагрузки и воздействия на сооружение;
- уметь путём расчёта определить реакцию сооружения на нагрузку (например, вычислить перемещения, деформации и напряжения в сооружении от действия приложенных нагрузок);
- знать несущую способность сооружения (например, знать максимальные деформации, не вызывающие нарушений сплошности - образования трещин);
- сравнить реакцию сооружения на внешнюю нагрузку с несущей способностью.