Компоновка и конструкции гидроэнергетических сооружений. Некоторые общие вопросы

Некоторые общие вопросы. Гидроэнергетическое строительство в нашей стране начало развиваться только после Вели­кой Октябрьской социалистической революции, поэтому советские гидроэнергетики не имели исторически сложившегося опыта проектирова­ния и строительства гидроэнергетических со­оружений.

В связи с этим при конкретном про­ектировании первых крупных гидроэлектро­станций в известной мере исходили из опыта гидроэнергетического строительства за рубе­жом. Технические решения, которые в настоя­щее время нам кажутся элементарно простыми и ясными, в то время вызывали ожесточенные и длительные дискуссии. К консультациям при проектировании и строительстве привлекались специалисты и строительные фирмы Швеции, Америки, Италии, Австрии, Германии.

По мере развития гидроэнергостроительства росли кадры инженеров, освоивших теорию и практику проектирования и строительства, творчески переработавших их применительно к естественным условиям нашей страны и затем давшим ряд талантливых технических решений, обогативших мировую сокровищницу опыта и знаний.

За 40 лет сложилась советская школа гидроэнергостроителей и выработалась полно­ценная система проектирования, которая по своей глубине, всесторонности и разнообразию разрабатываемых проблем стоит на уровне современности.

Строительство гидроэлектростанций в СССР ведется в весьма разнообразных природ­ных условиях—на севере и в южных районах, в равнинных и горных рельефах, на скальных основаниях и на мягких, слабых грунтах. От­сюда вытекает разнообразие схем и состав со­оружений гидростанций, их типов и конструк­ций.

Для большинства горных районов Кавказа, Заилийского Алатау и Алтая характерны высо­конапорные гидростанции со смешанной дери­вацией (каналы, туннели, трубопроводы). Для Средней Азии типичны деривационные гидро­станции с открытыми каналами. На Кольском полуострове и в Карельской АССР построен ряд гидростанций как с открытыми дерива­ционными каналами, так и с туннелями.

В полугорных условиях, при скальных осно­ваниях и глубоких каньонах возводятся бетон­ные плотины большой высоты с приплотинными гидростанциями (Усть-Каменогорская, Бух- тарминская, Красноярская, Братская).

Отличительной же чертой гидроэнергетиче­ского строительства в СССР является созда­ние крупных гидроэлектростанций на многовод­ных судоходных реках с широкими поймами в равнинных районах на песчаных и глинистых основаниях. Такие гидростанции построены и строятся на основных водных магистралях Советского Союза: Волге, Каме, Свири, Днеп­ре, Дону, Оби, Ангаре и других реках.

Харак­терным для этих гидростанций является боль­шая протяженность водоудержательного фрон­та, большие паводковые расходы и затопление значительных площадей земли. Так, например, водоудержательный фронт Горьковской ГЭС равен 13 км, естественный расход обеспечен­ностью 0,1% 15 000 м³/сек, а площадь зерка­ла водохранилища 1 752 км²; для Куйбышев­ской ГЭС фронт — 5,5 км, расход 71 000 м³/сек, зеркало 5 600 км²; для Кременчугской ГЭС фронт—12,3 км, расход — 32 000 м³/сек, зер­кало — 2 520 км².

Примером крупного гидроузла в равнинных условиях является Куйбышевская гидроэлек­тростанция на р. Волге.

В состав гидроузла входят: здание гидро­электростанции, земляная и бетонная плотины и судоходные сооружения.

Напорный фронт гидроузла, как было ука­зано, имеет протяжение около 5,5 км и подни­мает горизонт в верхнем бьефе на 30 м. Стан­ция оборудована 20-ю агрегатами мощностью по 105 тыс. кет каждый; в соответствии с на­пором приняты турбины поворотнолопастного типа диаметром 9,3 м и расходом воды до 700 м³/сек; общий вес одного агрегата состав­ляет около 3 200 т.

Здание гидроэлектростан­ции имеет длину около 700 м, ширину 100 м и высоту 81 м. Пропуск паводковых расходов частично осуществляется через донные водо­сбросы, расположенные в здании ГЭС; они рассчитаны на пропуск 20 000 м³/сек воды. Во­досливная плотина длиной около 1 км имеет 38 водопропускных отверстий по 20 м в свету каждое и рассчитана на сброс расхода воды в 40 000 м³/сек при прохождении паводка обес­печенностью 0,1%.

В силу расположения на мелких песках плотина и ГЭС имеют большую протяженность сооружений для гашения энер­гии сбрасываемой воды: общая ширина плоти­ны, включая понур, водобой и рисберму, со­ставляет 490 м. Судоходные сооружения вклю­чают в себя два парных одноступенчатых шлю­за, судоходные каналы, речной порт и ограж­дающие дамбы.

Земляная плотина длиной око­ло 3 км перекрывает русло р. Волги и значи­тельную часть левобережной поймы. Общие объемы работ по Куйбышевскому гидроузлу составляют: бетона и железобетона 7,3 млн. м³, земляных выемок и насыпей до 200 млн. м³.

В восточной части СССР имеются более благоприятные природные условия для соору­жения ГЭС (скальные основания, наличие местных сужений речных долин), благодаря чему значительно сокращаются объемы работ по гидроузлам и уменьшается стоимость элек­трической энергии.

Если удельные капитало­вложения на 1 квт-ч годовой выработки элек­троэнергии для крупных гидроэлектростанций европейской части СССР принять за 100%, то, по проработкам Гидроэнергопроекта, для круп­ных гидроэлектростанций восточной части СССР удельные капиталовложения на 1 кет • ч составят 42%, а для особо крупных — 33%.

При строительстве крупных гидроэлектро­станций на слабых грунтах на многоводных равнинных реках с широкими поймами суще­ственное снижение их стоимости достигается применением местных строительных материа­лов.

Экспериментальными исследованиями и опытом установлено, что земляные плотины можно возводить практически из любых мест­ных материалов, в том числе из мелкозерни­стых песков. Использование гидромеханизации с высокой производительностью земснарядов и, как следствие, дешевизна земляных работ внесли коренное изменение в паши понятия о значимости и масштабах использования земля­ных сооружений при строительстве гидроэлек­тростанций: при проектировании гидроузлов и их компоновке стало возможным не считаться с объемами земляных работ.

При больших паводковых расходах в стои­мости гидросооружений большое значение име­ет длина бетонных водосбросных сооружений. Для уменьшения указанной длины конструк­торская мысль советских инженеров пошла по двум направлениям: по линии разработки кон­струкций, допускающих увеличение удельных расходов воды на водосбросных сооружениях и по линии использования для пропуска воды других бетонных сооружений гидроузла.

При проектировании Нижне-Свирской ГЭС удельный расход на водобое был допущен ме­нее 20 м³/сек, при проектировании Верхне-Свирской ГЭС — 32 м³/секу Боткинской ГЭС — 55 м³/сек.

Одновременно с этим разработаны проекты и осуществлены строительством гидроузлы; в которых здания ГЭС используются для устрой­ства в них водосбросных отверстий. В некото­рых случаях оказалось целесообразным для сброса пика паводка использовать судоходные шлюзы. Это в основном относится к шлюзам, нижние подходные каналы которых расположе­ны на скале и не требуют дорогостоящих креп­лений.

Кроме того, долголетнее изучение гидро­логических условий водотоков нашей страны, а также работы гидросооружений при пропуске максимальных расходов позволили снизить обеспеченность расчетных расходов через гид­роузел.

При проектировании водосливного фронта также большое значение имеет пра­вильный учет аккумулирующей способности во­дохранилища для срезки пика паводка. Чтобы избежать значительных ошибок в этом вопро­се, советские конструкторы придают большое значение изучению гидрографов паводка, на­значению режимов работы водопропускных сооружений при их пропуске, а также прогнози­рованию размеров и характера паводков.

Указанные выше мероприятия дали воз­можность значительно сократить фронт бетон­ных сооружений. Так, например, для Днепро­дзержинской ГЭС повышение расчетной повто­ряемости с 0,1 до 1% позволило уменьшить расчетный сбросный расход через водосливную плотину с 25 700 м³/сек до 18 000 м³/сек и тем самым сократить шесть водосливных пролетов по 16 м; кроме того, увеличение удельного рас­хода с 70 м³/сек до 84 м³/сек позволило еще сократить два пролета водослива, а всего из 18 пролетов водослива, предусмотренных пер­воначальным проектом, сокращено восемь про­летов.