Глава 2. Основные водоподпорные сооружения гидроэлектростанций

2.1. Типы гидротехнических сооружений

В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехнические сооружения принято подразделять на группы, важнейшими из которых являются: водоподпорные, руслорегулирующие, водопроводящие, судо- и водопропускные (водосбросные).

Водоподпорные сооружения перегораживают русла рек, тем самым, существенно меняют уровень воды в потоке и создают подпор - разницу уровней воды до и после сооружения. Основное водоподпорное сооружение - плотина. Плотина полностью перегораживает русло реки.

Водоподпорные сооружения - наиболее ответственные, так как несут большую нагрузку - давление воды верхнего бьефа. Отказ водоподпорного сооружения может привести к прорыву напорного фронта и неконтролируемому переливу воды в нижний бьеф, что грозит катастрофическими последствиями. Основное водоподпорное сооружение - плотина. На гидроэлектростанциях с малыми и средними напорами (до 40 м) подпорными сооружениями могут быть и силовые здания ГЭС. При русловой компоновке ГЭС (см. ниже) здание ГЭС входит наряду с плотиной в состав напорного фронта. Водоподпорными сооружениями являются также шлюзы.

Руслорегулирующие сооружения не создают, как правило, подпора и служат для изменения направления и скоростей потока, обеспечивая необходимые условия для защиты берегов от размыва, улучшая условия для забора воды, судоходства, сплава леса. Основной тип руслорегулирующего сооружения - дамба - безнапорная плотина, которая не перегораживает и мало стесняет естественные русла рек.

Судопропускными сооружениями являются шлюзы и судоподъемники. Они сооружаются на судоходных реках для перехода судов из нижнего бьефа в верхний и обратно.

Водопропускные (водосбросные) сооружения предназначены для сброса «лишней» воды из верхнего бьефа в нижний через плотину или в обход её. Под «лишней» здесь понимается та вода, которую по каким-либо причинам (большой паводок, санитарный попуск, временные попуски для ирригации, судоходства) не удается удержать в водохранилище или использовать для получения электроэнергии. Иногда водосбросные сооружения не выделяют в отдельный класс, а относят либо к водопроводящим, либо к водосбросным плотинам.

Гидротехнические сооружения не исчерпываются рассматриваемыми ниже гидротехническими сооружениями гидроэлектростанций. В их число входят гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций, ирригационные и портовые сооружения, морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения и др. Полный перечень гидротехнических сооружений приведен в Строительных нормах и правилах (СНиП2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования»).

Согласно нормам, гидротехнические сооружения делятся на постоянные и временные. К временным относятся сооружения, используемые только в период строительства и ремонта. Постоянные сооружения подразделяются на основные и второстепенные. К основным относятся сооружения, разрушение или повреждение которых приводит к нарушению нормальной эксплуатации - прекращению или уменьшению электроснабжения, подачи воды на орошение или водоснабжение, подтоплению или затоплению территорий, нарушению судоходства, выбросу нефти или газа, ущербу рыбным запасам.

К второстепенным относятся гидротехнические сооружения, повреждение которых не несет указанных последствий.

К основным гидротехническим сооружениям относятся:

- плотины;
- устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта;
- дамбы обвалования;
- водосбросы;
- водоприемники и водозаборные сооружения;
- каналы;
- туннели;
- трубопроводы;
- напорные бассейны и уравнительные резервуары;
- здания гидростанций и насосных станций;
- шлюзы, судоподъемники и судоходные плотины;
- гидротехнические сооружения портов (пристани, причалы);
- гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций;
- рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта;
- морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения.

2.2. Плотины

Наиболее распространенная классификация плотин - по материалу, из которого они возводятся. Современные плотины возводятся либо из искусственного камня - бетона, железобетона, либо из грунтов. Каменная кладка и дерево, как материалы, в современном плотиностроении почти не используются.

Плотины из грунтовых материалов возводятся, как правило, на глухих участках напорного фронта. Бетонные плотины применяются преимущественно для гидроузлов на скальных основаниях, а также для водосбросных участков напорного фронта. Железобетонные плотины характерны для створов на нескальных основаниях. Для многих створов приемлемыми являются несколько типов плотин. Выбор типа и конструкции плотины производится на основе технико-экономического сравнения вариантов.

• Грунтовые плотины

Основными конструктивными элементами грунтовой плотины являются тело плотины, обеспечивающее ее прочность и устойчивость, противо-фильтрационные устройства (ядра, экраны, диафрагмы), обеспечивающие водонепроницаемость и дренажные устройства для сбора воды, профильтровавшейся через противофильтрационные устройства.

Конструкции грунтовых плотин отличаются большим разнообразием. Какой из вариантов предпочтительнее, решается при сравнении вариантов по стоимости и ряду других параметров (инженерно-геологических условий, наличия соответствующих материалов и механизмов для возведения, времени, необходимого на строительство и т.д.).

Грунтовые плотины в поперечном сечении имеют трапецеидальную форму и в зависимости от типа грунта делятся на земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные.

Земляные насыпные плотины либо отсыпают насухо с уплотнением, либо в воду (в воде грунты уплотняются естественным образом); грунты тела плотины - от глинистых до гравийно-обломочных. Особую группу земляных насыпных плотин образуют мерзлые и талые плотины, возводимые в северной строительно-климатической зоне вечной мерзлоты.

Тип плотины, ее размеры и конструктивные элементы назначаются на основе расчетов и технико-экономического сопоставления вариантов. Однородная плотина из песка может быть принята, если потери воды из-за фильтрации будут приемлемыми. Для этой цели выполняются фильтрационные расчеты. Размеры сечения однородной плотины диктуются необходимостью обеспечения устойчивости ее откосов; допустимы углы заложения откосов (тангенсы углов наклона откоса к горизонту mh, mj меньшие углов внутреннего трения (предельных углов, при которых грунт с откоса не сползает). В реальных плотинах углы заложения откосов несколько меньше предельных (предусматривается запас устойчивости откосов). Очень малые углы заложения откосов, существенно меньшие тех, при которых грунт находится в предельном состоянии (вот-вот сползет), нецелесообразно принимать, так как это неоправданно увеличит объем плотины, а, следовательно, и ее стоимость. Ширина сечения по гребню выбирается из условий эксплуатации плотины. Например, если по гребню плотины проходит дорога, то гребень будет шире. Большая часть тела однородной плотины водонасыщена из-за фильтрующейся воды. Свободная поверхность фильтрующейся через тело плотины воды, называется поверхностью депрессии. В теле однородной плотины поверхность депрессии (свободная поверхность фильтрующейся воды) плавно понижается от УВБ до УНБ. Тангенс угла наклона кривой депрессии к горизонту называется градиентом напора. Градиент напора (уклон линии свободной поверхности, фильтрующейся воды в теле грунтовой плотины) не может быть очень большим. При больших уклонах (градиентах напора) может начаться механическая суффозия (вымыв песка из тела плотины). Эти, и подобные им задачи, решаются при проектировании грунтовых гидротехнических сооружений и их оснований.

Насыпная грунтовая плотина с ядром имеет верховую и низовую призмы из водопроницаемых грунтов (песок, песчано-гравийная смесь) и водонепроницаемое ядро (глина, суглинок). У плотины такой конструкции в водонасыщенном взвешенном состоянии находится только верховая призма (расположенная выше ядра), а низовая выше УНБ - практически сухая.

Особую группу насыпных плотин составляют земляные насыпные плотины, возводимые в северной строительно-климатической зоне. Эти плотины подразделяются на две подгруппы - мерзлые и талые. Земляные намывные плотины намываются средствами гидромеханизации из грунтов от глинистых до гравийно-галечных.

Каменно-земляные плотины: грунты тела - крупнообломочные, грунты противофильтрационных устройств - от глинистых до мелкопесчаных.

• Бетонные и железобетонные плотины

Бетонные и железобетонные плотины по своей конструкции делятся на гравитационные, контрфорсные и арочные. Каждый тип плотины может иметь как глухие, так и водосбросные участки. Обычно бетонные плотины возводятся на скальных основаниях.

Гравитационные плотины удерживают давление воды (сохраняют устойчивость на сдвиг и опрокидывание) благодаря своему весу. Современные гравитационные плотины имеют форму поперечного сечения близкую к прямоугольному треугольнику с основанием, составляющим 0, 7-0, 8 её высоты. Верховая грань плотины почти вертикальная, низовая - наклонная.

Устойчивость плотины на сдвиг обеспечивается весом плотины: в первом приближении максимально возможная сила трения по контакту плотины с основанием Т (величина которой равна весу плотины G, умноженному на коэффициент трения материала плотины по основанию), должна быть больше сдвигающей силы W- гидростатического давления со стороны верхнего бьефа. Это условие и определяет ширину плотины по основанию.

Гравитационная плотина должна быть не только устойчивой на сдвиг, но и прочной. Ее тело не должно разрушаться от черезмерного сжатия или растяжения. Для этого выполняются расчеты ее на прочность. Кроме тела плотины, её основными конструктивными элементами, обычно являются противофильтрационные и дренажные устройства. Цель первых - уменьшение фильтрационных расходов через бетон плотины и скалу основания, цель вторых - перехват (организованный сбор) профильтровавшейся воды.

Чаще всего бетонные гравитационные плотины возводятся на скальных основаниях. Если скальное основание недостаточно прочно, то при строительстве производится укрепление основания, чаще всего - это площадная укрепительная цементация - закачивание цементных растворов в пробуренные в основании скважины, растворы заполняют трещины, пустоты в основании.

Контрфорсные плотины представляют собой наклонные стены, перегораживающие поток, и опирающиеся на контрфорсы - треугольные опоры-стены, расположенные вдоль потока. Устойчивость контрфорсных плотин на сдвиг от действия гидростатического давления верхнего бьефа обеспечивается не только весом самой плотины, но и пригрузкой воды напорной грани плотины.

Арочные плотины представляют собой арки (своды), положенные «на бок». Устойчивость арочных плотин, в основном, обеспечивается передачей распора (нормальной силы в арочных поясах) на берега. В узких ущельях арочные плотины представляют собой тонкостенные конструкции. В широких ущельях поперечное сечение арочной плотины может быть достаточно массивным, сходным с сечением гравитационной плотины с уклоном низовой грани 0, 3-0, 6, такие плотины принято называть арочно-гравитационными.

Для оценки состояния плотин в период их строительства и эксплуатации в них устанавливаются приборы для измерения различных диагностических параметров - напоров фильтрующейся воды, перемещений, деформаций, взаимных смещений отдельных конструктивных элементов.

Бетонные и железобетонные плотины на нескальных основаниях, как правило, применяются для водосбросных участков напорного фронта и входят в состав напорного фронта, где основным водоподпорным сооружением является плотина из грунтовых материалов.

Деление плотин по материалу на бетонные и железобетонные условно, так как в любой бетонной плотине имеются железобетонные конструктивные элементы. Например, водосливная плотина может иметь бетонное тело водослива и армированные железобетонные бычки и плиты водобоя. Двухъярусная плотина может иметь столь малый процент армирования, что ее естественно следует считать выполненной не из железобетона, а из армированного бетона.

• Водосбросные и водоподводящие устройства на плотинах

На практике часто водопропускные и водопроводящие устройства устраиваются на плотинах. Плотины называют глухими, если через них не сбрасывается вода в нижний бьеф и водосбросными, если в теле плотины имеются отверстия для сброса воды.

Отверстия в водосбросных плотинах могут быть как поверхностными (с устройством водосливов), так и погруженными под уровень воды (с устройством глубинных и донных водных трактов). Как правило, водосбросные отверстия на плотинах оборудованы затворами, позволяющими регулировать сбросной расход. Размеры и типы водосбросных отверстий назначаются на основе расчетов и лабораторных гидравлических исследований.

2.3. Здания ГЭС как водоподпорные сооружения

На низко- и средненапорных гидростанциях (напоры не выше 40-50м) здание гидростанции часто входит в состав напорного фронта. Такие гидростанции называют русловыми, так как здание ГЭС располагается либо в русле, либо на затопляемой водохранилищем пойме.

Здания ГЭС представляют собой весьма сложные строительные конструкции, отличающиеся большим разнообразием.

Здание ГЭС принято делить на две части - подводную часть и надводную (как правило, машинный зал). Несущей, водоподпорной конструкцией (собственно гидротехническим сооружением), как правило, является массивная подводная часть. Иногда (при средних напорах) в состав водоподпорной конструкции входит и массивная верховая стена машинного зала. Подводную часть здания ГЭС можно условно разбить на три участка: верховой участок, в нем осуществляется подвод воды к турбине через спиральную камеру, следующая часть - это центральный участок с турбинной камерой и расположенной в ней турбиной (над ней в машинном зале - генератор) и низовая часть, по ней осуществляется отвод воды от турбины через отсасывающую трубу.

На многих отечественных равнинных гидроузлах (например, волжских) в русловых зданиях ГЭС предусмотрены дополнительные водосбросы, совмещающиеся со зданиями ГЭС. Такие водосбросные отверстия проходят чаще всего между и над турбинными трактами гидроагрегатов, в мире они получили название русские водосбросы.

На высоконапорных ГЭС здание электростанции располагается, как правило, за плотиной и не является водоподпорным сооружением, то же относится и к подземным зданиям ГЭС.

2.4. Судоходные шлюзы

К водоподпорным сооружениям относится наиболее распространенный тип судопропускного сооружения - судоходный шлюз.

Рассмотрим процедуру шлюзования судна, идущего из верхнего бьефа в нижний. Основными конструктивными элементами шлюза являются камера шлюза и его головы, в которых располагаются шлюзовые ворота. Камера шлюза представляет собой железобетонное «корыто», торцевые стенки которого выполнены в виде ворот (створных или опускных). При шлюзовании судно через верхний подходной канал входит в камеру. Верховые ворота закрываются, и камера опорожняется через водопроводные устройства нижней головы. Когда уровень воды в камере сравняется с УНБ, в нижней голове открываются ворота и судно выходит из камеры шлюза.

На высоконапорных гидроузлах применяются многокамерные (многоступенчатые) шлюзы, состоящие из цепочки камер, разделенных промежуточными головами. На реках с интенсивным судоходством предусматриваются двухниточные шлюзы. Питание водой шлюзов может быть головным (водопроводные устройства в головах шлюза), так и продольным (через отверстия, расположенные по всей длине камеры). Водопроводные устройства верхней (нижней) головы связывают верхний (нижний) бьеф с камерой шлюза и снабжены затворами. Перед наполнением (опорожнением) камеры шлюза ворота закрываются. При наполнении камеры водопроводные устройства верхней головы открыты, а нижней - закрыты, и вода поступает из верхнего бьефа в камеру шлюза. При опорожнении камеры водопроводные устройства нижней головы открыты, а верхней - закрыты, и вода уходит из камеры в нижний бьеф.