Гидроэлектростанции, совмещенные с водосбросами

В поисках наиболее целесообразных с экономической и технической точек зрения решений гидроузлов советские инженеры начали широко применять тип гидроэлектростанции, в которых силовые здания совмещены с водосбросными сооружениями. Таких гидроузлов запроектировано 25, из них построено или находится в постройке 13.

Опыт проектирования и строительства показал, что совмещением гидростанций с водосбросными сооружениями достигаются:

1) сокращение в отдельных случаях фронта бетонных сооружений на 10—40% и их объема на 5—30%, одновременно с этим сокращаются крепление русла реки на участках, примыкающих к бетонным сооружениям, и объемы работ по подводящим и отводящим каналам как постоянным, так и осуществляемым для пропуска воды через бетонные сооружения в период постройки гидроузла;

2) уменьшение в значительном количестве случаев капиталовложений в гидроузел, а также количества расходуемого цемента, а в некоторых случаях и металла;

3) наиболее целесообразное с геологической точки зрения размещение в выбранном створе бетонных сооружений ввиду сокращения их длины; в отдельных случаях, как, например, для Каменской ГЭС на. р. Оби, где скальный участок имеет ограниченное протяжение, сокращение длины бетонных сооружений приобретает особое значение;

4) сокращение длины котлована бетонных сооружений, длины перемычек и уменьшение водоотлива;

5) увеличение мощности ГЭС в период прохождения паводков за счет эжекции.

Ниже приводится описание наиболее характерных типов гидростанций, совмещенных с водосбросами, уже внедренных в практику нашего строительства:

а) ГЭС, встроенная в водослив, агрегаты обслуживаются через люки, устроенные в водосливе (рис. 4). Этот тип гидростанции осуществлен на р. Каме у г. Перьми и на р. Сырь- Дарье (Кайрак-Кумская ГЭС). По данным Гидроэнергопроекта в этих условиях достигнута экономия бетона от 26 до 33% и сэкономлено цемента в двух гидроузлах 55 тыс. т. В обоих случаях весь водосливный фронт водосбросов размещается в пределах габаритов генераторных помещений, т. с. отдельно стоящая водосливная плотина как часть гидроузла полностью исключена.

Рис. 4. Камская ГЭС, встроенная в водослив

б) ГЭС с машинным залом, расположенном в водосливе (рис. 5). Такой тип станции применен на Павловской ГЭС на р. Уфе и на Ириклинской ГЭС на р. Урале. В обоих случаях сооружение отдельной водосливной бетонной плотины также оказалось излишним.

Рис. 5. Павловская ГЭС – с машинным залом, встроенным в водослив

Сокращение объемов работ против гидростанции обычного типа исчисляется в 24—30%, получена экономия в расходе цемента и металлоконструкций, но несколько повысился расход арматуры: Капиталовложения уменьшились на 5—8%. Такой тип гидростанции применим при достаточно больших напорах — не менее 25 - 30 м. Соответственно этому напору и габаритам водослива должен быть выбран диаметр турбин, что может повести к увеличению количества последних. Гидростанции с машинным залом, расположенным в водосливе, особенно целесообразны при ограниченности распространения в створе пород, являющихся надежным основанием для бетонных сооружений.

в) Гидростанция с донными напорными водосбросами (рис. 6). Этот тип гидростанции осуществлен на Каховской, Новосибирской и других ГЭС. По пяти выстроенным и запроектированным гидростанциям выявлена экономия бетона до 13% и капиталовложений до 13%. Гидростанции с донными водосбросами целесообразны для средних напоров, они позволяют сократить фронт бетонных сооружений, что при известных геологических условиях может облегчить компоновку гидроузла, при этом уменьшается стеснение русла, сокращается котлован и упрощаются условия производства работ.

Рис. 6. Гидростанция с донными водосбросами

г) ГЭС с напорными водосбросами, расположенными над спиральными камерами турбин осуществлена на Дубоссарской и Иркутской гидростанциях и запроектирована на Каменковской (рис. 7) и других объектах.

Рис. 7. Каменковская ГЭС — с напорными водосбросами, расположенными над спиральными камерами турбин

По проработкам Гидроэнергопроекта в этом типе ГЭС водосливный фронт сокращается на 16—34% и в отдельных случаях (например, Иркутская ГЭС) водосливные плотины исключаются. Экономия бетона составляет 11—13% и капиталовложений — 5—10%.

Область применения та же, что и для предшествующего типа, причем водосливные отверстия в случае надобности могут пропустить больший расход; глубина заложения основания здания станции может быть меньше, однако длина вала агрегата увеличивается.

д) Бычковая ГЭС (рис. 8) построена на р. Куре в г. Тбилиси (Орточальская ГЭС). Подсчитано, что по сравнению с гидростанцией обычного типа для данного конкретного случая получена экономия бетона и цемента на 25%, металлоконструкций на 2%, арматуры на 30% и капиталовложений на 7%. Бетонный фронт сооружений сокращен на 20%.

Рис. 8. Орточальская ГЭС — бычковая, с прямоточными агрегатами

Применение гидростанций бычкового типа особо целесообразно на реках, несущих большое количество крупных наносов, так как для промыва последних создаются наиболее благоприятные условия. Принятая конструкция может быть эффективна как для малых, так и средних напоров и для различных диаметров турбин. Однако опыт работы гидроэлектростанций бычкового типа с горизонтальными прямоточными агрегатами еще недостаточен для положительной оценки ее эксплуатационных качеств.

Следует указать некоторые недостатки гидростанций совмещенных с водосбросами:

1. Наличие в зданиях ГЭС более тонких, чем в обычных зданиях, железобетонных конструкций с большим содержанием арматуры и достаточно -сложного профиля осложняет производство работ в целом и особенно в зимнее время удлиняет сроки возведения силового здания.

По мнению ряда производственников, исчисляемая экономия от уменьшения объемов работ в совмещенных ГЭС по сравнению с гидроэлектростанциям,и обычного типа должна быть значительно сокращена или даже вовсе исключена ввиду недоучета в сметах усложнения условий производства работ.

2. Увеличение и усложнение щитового хозяйства здания ГЭС и его эксплуатации. Это в некоторой мере компенсируется сокращением щитового хозяйства водосливной плотины или полным его отсутствием.

3. Усложнение схемы электрических устройств и их эксплуатации. В некоторых случаях требуется вынос трансформаторов на берег или расположение их на более высоких отметках, чем оборудование, относящееся к генераторам, что удлиняет коммуникации генераторного напряжения.

4. Необходимость устройства ответственной гидроизоляции для защиты здания ГЭС от фильтрации через внутренние бетонные стенки, воспринимающие напор воды.

5. Разукрупнение в отдельных случаях агрегатов, что приводит к увеличению их количества и усложняет эксплуатацию станции. Так, на Камской гидроэлектростанции установлено 24 агрегата вместо шести — восьми агрегатов для обычной станции этого напора и мощности, т. е. в 3—4 раза больше.

6. Для лесосплавных рек совмещение фронта водосбросных отверстий с фронтом водозаборов к турбинам может приводить к затруднениям с очисткой решеток водоприемов.

Все перечисленные выше недостатки гидростанций, совмещенных с водосбросами, имеют свое значение, но для некоторых случаев природных условий не могут идти в сравнение с получаемыми от их применения экономическими выгодами. По проработкам Гидроэнергопроекта по 16 рассмотренным объектам достигнута суммарная экономия бетона 1 500 тыс. м³ и капиталовложений 750 млн. руб. Даже подходя с осторожностью к названным величинам, следует отметить, что получаемая экономия существенна для народного хозяйства страны.

Расположение водосбросных отверстий в зданиях гидроэлектростанций в некоторых случаях вызывается не желанием сократить фронт бетонных сооружений, а необходимостью промыва наносов перед водоприемными отверстиями турбин. Такие рациональные решения приняты для ряда приплотинных гидроэлектростанций на реках полуторного типа.

На рис. 9 представлен разрез по силовому зданию Головной -гидроэлектростанции на р. Вахш. Расположение водосбросных отверстий под водоприемными отверстиями турбин гарантирует от заноса последних взвешенными и донными наносами, сохраняя перед гидростанцией регулирующий объем воды.

Рис. 9. Головная ГЭС на р. Вахш

К другим вопросам рационального решения силовых зданий относится применение пониженных машинных залов, как, например, для Горьковской ГЭС. Монтаж и демонтаж агрегатов в этом случае производятся при помощи козлового крана грузоподъемностью 500 т через люки в крыше здания. В этом случае внутри здания сохранены малые мостовые краны грузоподъемностью 50 т для оперативных ремонтов и монтажа соответствующих элементов гидроагрегата.

В других случаях (Иваньковская, Саратовская ГЭС) машинный зал еще более понижен, так как внутри здания ГЭС мостовые краны полностью исключены. По Кременчугской ,ГЭС принято решение, исключающее машинный зал, с индивидуальной защитой генераторов колпаками и обслуживанием их портальным краном. Исключен также машинный зал на Днепродзержинской ГЭС.

В целях уменьшения заглубления силового здания в сложных геологических условиях, научно-исследовательскими институтами были произведены теоретические и экспериментальные исследования отсасывающих труб малой высоты. В результате таких исследований на Каховской ГЭС применена отсасывающая труба пониженной высоты, равной 1,54 Д вместо обычных 1,915 Д.

Применение такой отсасывающей трубы позволило уменьшить глубину выемки котлована на 3,5 м, облегчить тем самым грунтовое водопонижение и ускорить пуск станции на 2 месяца; это, однако, привело к некоторой потере энергии за счет снижения к. п. д.

Поиски рациональных конструкций зданий гидростанций направлены также на применение сборного железобетона и напряженно-армированного бетона. Напряженно-армированные сборные конструкции применены, например, в таком крупном сооружении, как Куйбышевская ГЭС.

Для Каунасской ГЭС разработан проект силового здания и других сооружений гидроузла в виде сборно-монолитных конструкций. Опалубка и металлическая арматура гидротехнического сооружения заменяются сборными железобетонными напряженно-армированными элементами, выполненными из бетона высоких марок.

Монолитность и водонепроницаемость сооружения не нарушается, так как все внутренние полости в сборной железобетонной оболочке заполняются монолитным бетоном. Армирование сооружений напряженной железобетонной арматурой дает возможность сократить расход металла. По этому типу конструкции в настоящее время ведутся экспериментальные работы.