Гидротехническая часть ГЭС

Как уже отмечалось, естественно-исторические условия строительства гидроэлектростанций в наиболее населенной равнинной части Советского Союза предопределили необходимость решения задач строительства напорных гидротехнических сооружений на мягких грунтах.

Иностранная практика считала вообще невозможным строительство напорных гидротехнических сооружений на слабых грунтах. Проведенные широкие и взаимноувязанные научные, экспериментальные и опытные исследования и проектные проработки показали реальную возможность экономически оправданного строительства гидроэлектростанций на равнинных реках практически на любых слабых грунтах.

Природная обстановка строительства гидроэлектростанций в СССР предопределяла и выбор компоновок сооружений гидроузлов.

Подробные проработки вариантов компоновок большого числа гидроузлов на Волге, Днепре и других равнинных реках показали, что в большинстве случаев наиболее рациональной является пойменная компоновка бетонных сооружений гидроузла

Расположение всех бетонных сооружений на пойме или с частичной врезкой в русло реки является весьма удобным, особенно в начальный период, когда все строительство может вестись практически насухо, без возведения достаточно высоких перемычек.

Глубина врезки первоочередных бетонных сооружений в русло реки принимается с расчетом оставления достаточной ширины русла для пропусков строительных расходов, ледохода и судов Этот режим пропуска строительных расходов сохраняется на все время строительства до его заключительного периода, когда производятся закрытие русла и перевод речного потока на возведенные на достаточную высоту бетонные сооружения гидроузла.

При этом закрытие русла реки обычно производится хорошо освоенным в СССР методом отсыпки камня, бетонных массивов и ежен в воду.

Что касается закрытия фронта бетонных сооружений для поднятия подпора в водохранилище, то в советской практике нашел широкое применение метод закрытия гребенкой с постепенным наращиванием бетонной кладки в отдельных блоках плотины и гидростанции.

Русловая компоновка бетонных сооружений гидроузла с постройкой перемычек в русле реки и поочередным возведением бетонных сооружений создает большие трудности для строителей.

Однако в ряде случаев русловая компоновка сооружений гидроузла получается более экономичной из-за отсутствия необходимости выполнять большие выемки для подводящего и отводящего трактов к бетонным сооружениям при пойменной компоновке. Последнее имеет особо важное значение при наличии высокой террасы на пойме реки или при наличии весьма широкой и заболоченной поймы реки.

Весьма важным вопросом является выявление такой компоновки и таких типов сооружений гидроэлектростанций, которые позволили бы ввести ГЭС в эксплуатацию при неполностью законченных сооружениях.

Равным образом весьма важно, в случае возможности, осуществлять строительства ГЭС по очередям с выполнением в первую очередь лишь тех объемов работ, которые необходимы для ввода мощности лишь первой очереди. Соблюдение этих весьма важных условий является в настоящее время обязательным для; каждого проекта ГЭС.

Следующей особенностью строительства гидростанций в СССР является стремление к максимальному совмещению нескольких функций в одном сооружении, что дает часто наиболее дешевую компоновку. В первую очередь это относится к использованию зданий станции для сброса паводков.

Разработан ряд типов таких совмещенных зданий гидростанций в зависимости от местных условий и в первую очередь от напора со сбросом воды через отверстия или в массиве здания ГЭС, или сверху, или сбоку машинного помещения.

Рис. Горьковская гидроэлектростанция

Аналогично этому принят ряд решений по совмещению в одном сооружении функций водосброса и водоприемника, водоприемника и отстойника, канала и бассейна суточного регулирования и т. д.

В результате этого на ряде гидроэлектростанций удалось значительно уменьшить длину водосбросной плотины без увеличения длины здания ГЭС (на Новосибирской ГЭС—на 50%, на Каховской ГЭС—на 12,5% и т. д.), а по ряду ГЭС удалось совсем отказаться от постройки отдельной водосбросной плотины (Иркутская, Павловская, Ириклинская, Камская, Кайрак-Кумская, Краснодарская, Каменская, и др).

Подсчеты показали, что применение совмещенного типа лишь по десяти строящимся совмещенным ГЭС дает экономию 1 млн. м³ бетона и снижение стоимости строительства на 400 млн. руб. Совмещение водоприемников с плотинами, отстойников с плотинами по опыту строительства Сухумской, Краснополянской и других ГЭС уменьшает объем бетонных и скальных работ и снижает стоимость этих сооружений до 20%.

Свою исследовательскую работу Гидроэнергопроект проводил как с привлечением научно- исследовательских институтов, так и опираясь на сеть своих исследовательских лабораторий.

В результате этого было найдено и разработано большое количество новых, оригинальных решений в различных областях проектирования гидроэлектростанций.

Были запроектированы самые разнообразные по компоновке здания станций: русловых, приплотинных, деривационных, с высоким машинным залом, полуоткрытого типа, с низким машинным залом и без машинного зала, с колпаками и без колпаков. Последний тип здания ГЭС разработан с ионным возбуждением генераторов. Разработаны тип водосливной ГЭС с горизонтальным прямоточным агрегатом (Камская ГЭС) и тип бычковой ГЭС с горизонтальными и вертикальными гидроагрегатами (Ортачальская ГЭС).

Разработаны варианты зданий ГЭС в теле массивных гравитационных плотин (Братская, Красноярская, Чарвакская, Саньмынься ГЭС).

Нашли применение подземные гидроэлектростанции. Вслед за ныне эксплуатируемыми Севанской и Нива III подземными ГЭС были запроектированы и начаты строительством подземные ГЭС Арзни, Храм II, Ладжанури, Кумекая, намечены к строительству подземные ГЭС Даховская, Дарьяльская, Верхне-Туломская, Чиркейская, Хамышкинская.

Подземные ГЭС экономичны главным образом при наличии крепких скальных пород. Гидроэнергопроектом были предложены и осуществлены экономичные решения подземных ГЭС, предусматривающие: компоновку ГЭС с минимальной длиной подводящего напорного туннеля, требующего усиленной облицовки за счет переноса машинного помещения возможно ближе к водоприемнику и соответствующего удлинения отводящего безнапорного туннеля, возможного к осуществлению либо без всякой облицовки, либо с минимальным объемом бетонных работ по нему;

- вынос трансформаторов и распределительного устройства высокого напряжения либо на земную поверхность, либо в ниши на склонах берега реки;
- компоновку электрических устройств низкого напряжения в верхнем ярусе машинного помещения над мостовым краном;

- совмещение кабельных и транспортных галерей в одном туннеле;
- предельное облегчение рабочей и декоративной облицовки подземного машинного помещения;

- осуществление бетонной облицовки наклонных напорных шахт с металлической рубашкой методом засыпки затрубного пространства гравием и бетонирования нагнетанием цементного раствора с уменьшением толщины затрубного бетона с 80—90 до 30—40 см.

Во всех случаях, где возможна компоновка гидроузла с подземным типом ГЭС, эти варианты разрабатываются и сравниваются с другими возможными компоновками гидроузлов.

В строительство гидроэлектростанций внедрены вертикальные гидроагрегаты с турбинами различных типов, в том числе с поворотнолопастными турбинами диаметром 9,3 м и разработан проект такой же турбины диаметром 10 м для Нижне-Вуоксинской ГЭС. Горизонтальные гидроагрегаты с генераторами на ободе рабочего колеса турбины установлены на Ортачальской ГЭС на р. Куре в Тбилиси (мощностью 6 тыс. квт).

Рис. Ортачальская ГЭС — бычковая гидроэлектростанция

Внедрение подобных горизонтальных машин повысит отдачу ГЭС примерно на 1—2%, а большая пропускная способность турбин и меньшее заглубление основания машинного здания обеспечат значительное снижение стоимости строительства.

Перед промышленностью поставлена задача выпуска турбин, устойчивых от абразивного воздействия накосов, с целью отказа от сложных и дорогих отстойников и бесполезного сброса воды для их промывки, поворотнолопастных турбин для напоров более 400 м, обратимых гидроагрегатов (работающих в турбинном и насосном режимах) для гидроаккумулирующих и приливно-отливных гидроэлектростанций, а также турбин с простыми и надежными противоразгонными устройствами с целью полного отказа от быстродействующих затворов.

Гидроэнергопроектом разработан план создания новых машин, оборудования и механизмов, которые должны быть в ближайшие годы освоены промышленностью. Независимо от реализации этого плана Гидроэнергопроект по договоренности с заводами-изготовителями включает в свои проекты часть нового оборудования из указанного выше плана.

Так, в проектах Кумской, Чир-Юртской и ряда других ГЭС вместо принятых ранее радиально-осевых приняты поворотнолопастные турбины с напором более 40 м, что превышает ранее достигнутые пределы применимости подобных турбин в Союзе. Подобно этому в проекте Бухтарминской ГЭС разработаны аналогичные турбины с напором 59 м, а в проектах Шульбинской и Акстафинской ГЭС намечается применение поворотнолопастных турбин с напором до 66 м.

В проекте расширения ДнепроГЭС имени Ленина приняты поворотнолопастные турбины с напором 38 м и мощностью 125 тыс. квт — самые большие в мире для типа турбин.

Применение поворотнолопастных турбин, имеющих более высокие и более устойчивые к. п. д. при колебаниях расхода и напора, позволило значительно сократить размеры машинного зала, вес турбинного и генераторного оборудования и повысить энергетические показатели станции.

В области проектирования шлюзов в составе гидроэнергоузлов достигнуты значительные успехи. Для большого количества ГЭС на судоходных реках были запроектированы шлюзы самых различных типов и конструкций (шахтный шлюз Усть-Каменогорской ГЭС).

Для Красноярской и Братской ГЭС с напорами более 100 м, помимо многокамерных шлюзов, были запроектированы вертикальные и наклонные судоподъемники при напорах до 100—110 м, более экономичные по сравнению со шлюзами и сберегающие воду, расходуемую на шлюзование.

Оригинальная конструкция многокамерного двухниточного шлюза принята на Камской ГЭС со стенами камер из металлического шпунта, откатными воротами и электровозной тягой, что обеспечило исключительно высокую пропускную способность шлюза и его экономичность.

В высоконапорных подземных ГЭС применены шахтные напорные трубопроводы с бетонной облицовкой и металлической рубашкой минимальной толщины 10 мм, что дало значительную экономию металла.

В проекте Ткибули ГЭС принято проверенное модельными испытаниями новое очертание дна сбросного быстротока в виде треугольника, который при испытаниях в условиях эксплуатации показал полное отсутствие опасного волнообразования, имевшего место в аналогичных случаях на Самтореких и других гидроэлектростанциях.

Разработаны варианты конструкций подводных (напорных) гидротехнических сооружений из сборного железобетона (шлюзы, устои, плотины и др.) и оригинальные конструкции предварительно напряженных массивных и напряженноармированных решетчатых конструкций плотин и зданий гидроэлектростанций (Каунасская ГЭС и др.).

В ближайшее время Советский Союз будет развивать строительство гидроэлектростанций с высокими плотинами (100—200 м), мощными водосбросными и водопроводящими сооружениями: Усть-Илимская, Намахванская, Чарвакская, Чиркейская, Зейская и др.

Выполненные в СССР теоретические и экспериментальные разработки вопросов теории гидроэнергетического строительства, разработанные методы инженерно-геологических, гидрогеологических, геотехнических исследований и специальных методов разведки, а также методы модельных и натурных исследований сооружений в значительной степени облегчают эту работу и обеспечивают надежность и экономичность принимаемых решений.