Электрификация СССР || Проектирование гидроэлектростанций, изыскания и исследования (3)
Электрификация СССР || Гидроэнергетика || 3.4 Проектирование гидроэлектростанций, изыскания и исследования ( часть 1 || часть 2 || часть 3)
<< предыдущее - часть 2 <<
Гидроузлы на предгорных и каньонных участках рек
Гидроузлы такого типа строятся в разных районах страны - на Кольском полуострове и в Карелии, на Урале и в Закавказье, Казахстане и Средней Азии, в Сибири и Якутии, на Алтае и Дальнем Востоке. Поэтому природные условия строительства отличаются большим разнообразием по климату, гидрологии и инженерной геологии. Существенное влияние при выборе типов гидротехнических сооружений оказывает географическое положение, особенно для гидроузлов, удалённых от промышленных центров и общесоюзной сети путей сообщения. Разнообразие природных и строительно-хозяйственных условий строительства определяет многообразие возможных инженерных решений компоновок и конструкций гидротехнических сооружений, среди которых можно выделить некоторые группы, характеризующие ведущие направления современного гидротехнического строительства на реках предгорных и горных районов.
Первыми по времени гидроэлектростанциями с бетонными гравитационными плотинами на скальном основании были Волховский и Днепровский гидроузлы.
Волховский гидроузел (1918-1926 гг.) положил начало отечественному комплексному гидротехническому строительству. В составе этого гидроузла бетонная водосливная плотина без затворов на гребне, здание гидроэлектростанции с ледозащитной стенкой, образующей аванкамеру, водовыпуск из аванкамеры, рыбоход и судоходный одноступенчатый шлюз с подходными каналами. Все сооружения располагаются на известняках. Максимальная строительная высота плотины 17.6 м, длина по гребню 212.3 м, мощность ГЭС (после реконструкции) 66 МВт в 8 гидроагрегатах.
Днепровский гидроузел на Днепре, построенный в 1927-1934 гг., является до сих пор одним из крупнейших в Европе. По составу основных сооружений гидроузел на Днепре мало чем отличается от гидроузла на Волхове. В него также входят водосливная бетонная плотина, здание гидроэлектростанции с аванкамерой и судопропускные сооружения в виде однониточного трёхступенчатого шлюза с аванпортом в верхнем бьефе и подходным каналом в нижнем бьефе. Но по своим размерам и конструкции, а также по объёмам строительных работ, уровню механизации, срокам их выполнения сооружения Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина резко отличаются от сооружений Волховской гидроэлектростанции. Это совсем другой масштаб и технический уровень строительства.
На большей части своей длины плотина Днепровской гидроэлектростанции имени В.И.Ленина представляет собой водосливную плотину гравитационного типа с плоскими затворами на гребне. Она имеет максимальную строительную высоту 62.0 м и создает подпор около 38.5 м. Оси плотины в плане придано криволинейное очертание по дуге круга с радиусом 600 м. Общая длина водосливной плотины между береговыми устоями 760.5 м. Пропускная способность каждого из 47 водосливных пролётов при нормальном подпорном уровне составляет около 820 м³/сек.
Здание гидроэлектростанции - приплотинное, с вынесенным вперёд водоприёмником (щитовой стенкой), расположено у правого берега. Мощность гидроэлектростанции в 9 гидроагрегатах первоначально (до Великой Отечественной войны) была равна 590 МВт. При восстановлении разрушенных во время войны сооружений гидроузла напор на плотине был увеличен и мощность ГЭС была доведена до 650 МВт. В настоящее время начато строительство второго здания ГЭС у левобережного примыкания плотины, в котором будут смонтированы 8 агрегатовсуммарной мощностью 828 МВт. В результате осуществления этой реконструкции установленная мощность Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина возрастет до 1478 МВт, т.е. в 2.5 раза против первоначальной величины.
После Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина к строительству гидроузлов с бетонными плотинами на скальном основании и с приплотинными зданиями гидроэлектростанций практически вернулись лишь через 15 лет, когда началось интенсивное освоение гидроэнергетических ресурсов восточных районов страны и, в частности, гидроэнергии таких рек, как Иртыш, Ангара и Енисей.
В период с 1947 по 1969 г. на этих реках было построено и начато строительство шести гидроэлектростанций общей установленной мощностью 19 млн кВт и среднемноголетней выработкой электроэнергии около 93.4 млрд квт-ч.
На Иртыше были построены Усть-Каменогорский (1939-1953 гг.) и Бухтарминский (1953-1961 гг.) гидроузлы с высотами плотин до 65 и 90 м и напорами на них 42 и 68 м соответственно.
На Ангаре сдан в промышленную эксплуатацию Братский гидроузел (1955-1967 гг.) и с 1963 г. развёрнуты работы по возведению сооружений Усть-Илимского гидроузла; напоры на этих гидроузлах составляют 106 и 90 м, а максимальные высоты плотин - 126 и 105 м соответственно.
На Енисее заканчивается строительство Красноярского гидроузла, создающего подпор 100 м при высоте плотины 120 м. Общим для большинства указанных гидроузлов является то, что они возводятся в суровых климатических условиях на крупных водотоках в труднодоступных и слабообжитых районах.
Кроме этих пяти гидроузлов, на севере Иркутской области был построен и с 1963 г. эксплуатируется при напоре 46 м Мамаканский гидроузел с бетонной плотиной высотой 58 м, расположенный недалеко от устья р. Мамакан, впадающей в р. Витим.
Характерным для большинства гидроузлов с бетонными плотинами, построенных в послевоенные годы, является наличие при них водохранилищ, способных осуществлять сезонное, а в ряде случаев и многолетнее регулирование стока реки. Бетонные плотины в составе указанных выше гидроузлов являются основными подпорными сооружениями, перекрывающими либо всю долину реки, как это, например, имеет место на Мамаканском, Красноярском и обоих Иртышских гидроузлах, либо только наиболее глубокие (русловые) её участки, как это решено на Братском и Усть-Илимском гидроузлах. Береговые участки долины в обоих Ангарских гидроузлах перекрыты плотинами из местных каменно-земляных материалов, суммарная протяжённость которых достигает на Братском створе 72%, а на Усть-Илимском створе почти 60% общей длины напорного фронта.
На судоходных реках в составе гидроузлов, как правило, предусматриваются судопропускные сооружения. В зависимости от интенсивности судоходства, напора на плотине и местных природных условий (рельеф и геология) эти сооружения осуществляются либо в виде шлюзов (однокамерных, многоступенчатых, шахтного типа и т.п.), либо в виде судоподъёмников. Так, например, судоходные шлюзы построены: при Бухтарминской - четырехступенчатый, а при Усть-Каменогорской - шахтного типа. При Красноярской плотине сооружается наклонный судоподъёмник, уникальный не только по преодолеваемому напору (100 м), но и по пропускной способности.
В таблице 3-11 приведены некоторые технико-экономические показатели по построенным и строящимся гидроузлам с гравитационными плотинами на скальных основаниях.
Бетонные гравитационные плотины в составе таких гидроузлов являются главным сооружением, определяющим сроки строительства и его экономическую эффективность. Поэтому выбору конструкции плотин в проектах уделяется много внимания. Особо тщательному и всестороннему изучению подвергаются свойства скальных пород, залегающих в основании плотин: их прочность, водопроницаемость, суффозионная устойчивость, сжимаемость (модуль деформации), трещиноватость, сопротивляемость сдвигу и др. Выполненные на Братском створе специальные изыскательские и научно-исследовательские работы по изучению свойств диабазов позволили за счёт учёта сил сцепления повысить в окончательном проекте расчётное значение обобщённого коэффициента сопротивления сдвигу (бетона по скале) с 0.65-0.70, которые были приняты на предыдущей стадии проектирования, до 0.80-0.90, т.е. почти на 30%. Соответственно этому был уменьшен и объём бетона в плотине.
В целях снижения противодавления на подошву плотины в её основании устраиваются со стороны верхнего бьефа цементационная завеса, а за ней - скважины разгрузочного дренажа. Дополнительным облегчающим мероприятием в этом отношении являются также расширенные межсекционные швы, устроенные в Братской, Мамаканской плотинах и в станционных секциях Бухтарминской плотины. На основании теоретических, лабораторных и натурных исследований напряжённого состояния плотин были разработаны конструктивные и технологические мероприятия, повышающие монолитность сооружения и предотвращающие трещинообразованне в бетоне: разбивка плотин на секции температурно-деформационными швами, а секций на блоки бетонирования; теплоизоляция, охлаждение бетона и армирование наиболее напряжённых зон; применение низкотермичных цементов и пластифицирующих добавок; повышение однородности бетона; снижение температуры укладываемой бетонной смеси и др.
Расстояния между постоянными деформационными швами в построенных бетонных плотинах составляют от 7.5 и 15.0 м на участках глухих секций плотины Красноярской ГЭС, до 11.0 и 22.0 м на плотине Братской ГЭС. Пролеты расширенных швов Братской плотины в русловых секциях равны 7 м (т.е. почти 32% ширины секций), а в береговых - 4 м (около 36% ширины секций). В плотине Мамаканской ГЭС ширина расширенных швов составляет 41% ширины секций (6 м из 14.5 м), а в плотине Бухтарминской ГЭС - около 16% (3 м из 19 м). Поперечные профили построенных у нас плотин приняты треугольной формы с вертикальной верховой гранью и с уклоном низовой грани 0.8.
Сброс паводковых расходов в нижний бьеф, как правило, осуществляется через поверхностные водосливы, на гребне которых установлены либо плоские (Усть-Каменогорская, Бухтарминская и Красноярская ГЭС), либо сегментные (Братская, Мамаканская и Усть-Илимская ГЭС) затворы. Ширина пролётов водосбросных отверстий на Усть-Каменогорском, Бухтарминском, Братском и Усть-Илимском гидроузлах 18 м, на Красноярском 25 м и на Мамаканском - 12 м. Высота затворов варьирует от 6 до 12 м, а удельные расходы воды достигают 100-120 м³/сек на 1 м длины водосбросного фронта. Иногда в дополнение к поверхностным водосливам устраиваются и глубинные водосбросы. Сопряжение сбрасываемого через водосливы потока с нижним бьефом осуществляется с помощью носка-трамплина, отбрасывающего струю на 80-120 м от подошвы низовой грани плотины.
Водоприёмные отверстия для водоводов гидроэлектростанций располагаются в верхней части профиля станционных секций плотин и оборудуются плоскими затворами и сорозадерживающими решётками. Подвод воды к турбинам осуществляется по стальным напорным водоводам, прокладываемым в теле бетонных плотин (Бухтарминская, Братская, Усть-Илимская ГЭС) или по низовой грани плотины (Красноярская ГЭС).
Здания гидроэлектростанций чаще всего располагаются в русле реки, примыкая непосредственно к станционным секциям плотины. Но возможны и иные решения: в районах с суровым климатом схема с подземным зданием ГЭС заслуживает особого внимания, так как позволяет практически полностью смять все ограничения по производству работ, обусловленные состоянием погоды и температуры воздуха. В зданиях ГЭС устанавливаются возможно более крупные гидроагрегаты (Бухтарминская - 9х75 МВт, Братская - 16х225 и 4х250 МВт, Усть-Илимская - 18x240 МВт и Красноярская - 12x500 МВт). При этом в каждом случае оптимальная единичная мощность выбирается на основании технико-экономических сопоставлений.
Строительство бетонных сооружений большинства гидроузлов осуществлялось в две очереди, за перемычками, расходы реки во время первой очереди работ пропускали по стесненному перемычками руслу, а во вторую очередь - через донные и глубинные отверстия, временно устраиваемые в глухих или водосливных секциях плотины, находящихся в пределах котлована первой очереди.
При решении стройгенплана стремятся расположить все производственные предприятия, вспомогательные хозяйства строительства и рабочий посёлок на одном из берегов. Отступления были на строительстве Красноярской ГЭС, где потребовалось для выполнения работ первой очереди построить автодорожный мост через р. Енисей, и на строительстве Братской ГЭС имени 50-летия Великого Октября, где посёлки размещены на обоих берегах из-за создания в районе гидроузла крупных промышленных предприятий и базы стройиндустрии.
Гидроузлы с бетонными арочными и арочно-гравитационными плотинами при благоприятных топографических и инженерно-геологических условиях более экономичны по сравнению с гидроузлами с другими типами плотин, так как позволяют более полно использовать прочностные свойства бетона. В 1937 г. впервые в СССР была построена арочная плотина высотой 69.5 м на р. Каракойсу в Дагестанской АССР в составе сооружений Гергебильской приплотинной ГЭС. В 1960 г. вторая арочная плотина высотой 69 м построена на р. Ладжанури в Грузинской ССР в составе головного узла Ладжанурской ГЭС.
Строятся арочные и арочно-гравитационные плотины, уникальные по своим параметрам и масштабам работ: Ингурская высотой 271.5 м, с объёмом бетона 3.7 млн м³, Чиркейская высотой 231 м с объёмом бетона 1.6 млн м³ и Саянская высотой 237 м с объёмом бетона 9.1 млн м³. Намечено строительство новых гидроузлов с арочными плотинами: Намахванского на р. Риони, Миатлинского на р. Сулак (Дагестан) и других. Приплотинные компоновки гидроузлов с арочными плотинами осуществляются с подземным или открытым расположением здания ГЭС. В практике нашего строительства отдаётся предпочтение открытому размещению здания ГЭС непосредственно ниже арочной плотины. Такие решения приняты для Саянского и Чиркейского гидроузлов. Строительные расходы пропускают через обходные туннели или отверстия в плотине, а сброс паводковых расходов эксплуатационного периода осуществляется через водосбросы, размещённые в теле плотины.
Примером приплотинной гидроэлектростанции с арочной плотиной является Чиркейская ГЭС на р. Сулак в Дагестанской АССР мощностью 1000 МВт в четырёх агрегатах, сооружаемая в глубоком узком каньоне с отвесными берегами. Плотина высотой 231 м состоит из арочной части и так называемой "пробки". Ширина сооружения по низу 76 м. Напорные турбинные трубопроводы пересекают тело плотины и спускаются к зданию ГЭС, расположенному у низовой грани "пробки". В связи с узостью ущелья четыре агрегата ГЭС мощностью по 250 тыс кВт размещены в здании ГЭС в два ряда. Отсасывающие трубы агрегатов располагаются в два яруса друг над другом. Двухрядная компоновка гидросилового оборудования, осуществляемая впервые в мировой практике, была исследована на гидравлических моделях и выявила вполне удовлетворительные результаты работы. Паводковый туннельный водосброс расположен в скальном массиве левого берега и рассчитан на расход 2400 м³/сек. Пропуск строительных расходов в обход котлована сооружений и подъезд к зданию гидроэлектростанции также осуществляются через туннели.
Самым крупным гидроузлом в Советском Союзе является строящаяся Саянская ГЭС на Енисее при напоре 222 м, мощностью 5300 МВт с возможностью её увеличения до 6400 МВт. Саянская ГЭС приплотинного типа по своим компоновочным, инженерно-строительным особенностям и энергетическим параметрам является уникальным объектом в мировом гидротехническом строительстве.
В арочно-гравитационной плотине (высота 237 м, длина по гребню 1000 м) размещены все водопропускные и водосбросные сооружения на общий расход 15000 м³/сек. Боковые отводы воды полностью исключены. Станционная часть плотины включает 20 водоприёмных отверстий и обетонированные стальные трубопроводы диаметром 6.5 м, проложенные по низовой грани плотины, для подвода воды к зданию ГЭС с гидроагрегатами мощностью по 640 МВт. Водосбросные устройства, расположенные в отдельных секциях плотины, представляют двухъярусные глубинные отверстия, перекрываемые затворами, работающими под напором до 95 м.
Плотинно-деривационные компоновки гидроузлов включают головные узлы, аналогичные приплотинным схемам, но здания ГЭС, открытые или подземные, размещаются на деривации. Наиболее крупным гидроузлом этого типа является головной узел Ингурской гидроэлектростанции.
Бетонная арочная плотина Ингурского гидроузла высотой 271.5 м расположена в узком ущелье, береговые склоны которого сложены трещиноватыми известняками и доломитами. Плотина имеет несимметричное очертание. В период эксплуатации пропуск паводковых расходов реки производится через водосброс, расположенный на гребне плотины. Аварийное опорожнение водохранилища осуществляется через глубинные водовыпуски. В период строительства расходы реки отводятся через левобережный строительный туннель, а в дальнейшем, при промежуточном эксплуатационном уровне водохранилища - через водосбросные отверстия, устроенные в центральной части плотины. Эти отверстия используются в период эксплуатации для сброса расходов реки обеспеченностью менее 1%.
В состав головного узла входит глубинный водоприёмник, расположенный на склоне правого берега. Он рассчитан на забор 450 м³/сек воды в деривацию при максимальной сработке водохранилища на 90 м. Воды р. Ингури по напорному деривационному туннелю длиной 15 км и диаметром в свету 9.5 м подводятся к подземному станционному узлу Ингурской ГЭС. Он состоит из уравнительного резервуара, пяти ниток напорных подземных турбинных водоводов, подземного здания ГЭС с пятью агрегатами общей мощностью 1.3 млн кВт и отводящего безнапорного туннеля длиной 3.25 км. Отработанная вода поступает в водохранилище расположенной ниже Перепадной ГЭС-I на р. Эрис-Цкали. На отводящем канале этой ГЭС длиной 23.5 км размещаются ещё три небольшие гидроэлектростанции: Перепадные ГЭС-II, III и IV. На перечисленных пяти гидроэлектростанциях используется суммарный напор 510 м, общая мощность всех пяти ГЭС 1.6 млн кВт.
Некоторую аналогию по компоновке сооружений головного гидроузла будет иметь Намахванская ГЭС, которая явится регулирующей в каскаде гидроэлектростанций на р. Риони (Грузинская ССР). Мощность ГЭС первой очереди 360 МВт в трёх агрегатах, полная мощность 480 МВт. Основным подпорным сооружением Намахванского гидроузла принята бетонная арочная плотина высотой 160 м. Паводковый водосброс на расход 3000 м³/сек как и на Ингурской плотине, расположен на гребне плотины. Более широкий створ плотины позволяет пропустить расходы реки в период строительства через канал-прорезь у левого берега (первая очередь), а затем через три отверстия в теле плотины. Для опорожнения водохранилища служит глубинный водовыпуск.
Технические показатели гидроузлов приведены в таблице 3-12.
Главным сооружением гидроузлов этой группы является арочная бетонная плотина, передающая горизонтальное давление воды почти полностью на берега. Поэтому основным условием для выбора створа было требование обеспечить возможность передачи больших усилий на скальные берега без развития значительных деформаций, вредных для сооружения. Скала в местах опирания арок должна быть прочной, монолитной, малодеформируемой, водонепроницаемой и водоустойчивой. Поэтому инженерно-геологическим исследованиям районов створов арочных плотин уделялось повышенное внимание. Наибольшее распространение в практике СССР получили арочные плотины с упругой заделкой по всему периметру основания, а также с пробкой в узкой части каньона. Разрабатываются варианты плотин с периметральным швом, со швами-надрезами и другие.
Кроме плотин с круговыми арками, в настоящее время внедряются в относительно широких створах плотины некругового очертания с радиусами, увеличивающимися к пятам. Ингурская плотина принята некругового очертания с трёхцентровыми арками, что позволило уменьшить на 200 тыс м³ объём бетона, при несколько более благоприятном напряжённом состоянии сооружения, нежели в круговой плотине. Разрабатывается вариант Намахванской плотины, очерченной в плане по логарифмической спирали для уменьшения изгибающих моментов.
Надёжность береговых примыканий арочных плотин при наличии ослабленных зон или других дефектов скальных оснований обеспечивается специальными конструктивными мероприятиями, позволяющими рассредоточить передачу давления от плотины на большие площади, а также комплексом работ по заделке трещин бетоном и цементацией.
Проекты высоких арочных плотин обосновываются обширными статическими расчётами (с использованием электронных счетно-решающих машин) и исследованиями. Выполняются также расчёты термонапряжённого состояния и сейсмостойкости арочных плотин. Техника модельных исследований арочных плотин на основные нагрузки достигла высокого уровня. Исследования выполняются с учётом последовательности возведения и замоноличивания сооружений приближенно оптическим методом на упругих моделях и более точно на хрупких моделях.
Качество скального основания сооружения раньше оценивалось лишь его деформационными характеристиками. В настоящее время испытывают также геомехаиические модели, воспроизводящие совместную работу плотины и основания с учётом особенностей его геологического строения, деформируемости, прочности, трещиноватости и слоистости скальных пород. Моделированием на сейсмических платформах определяются напряжения в плотине от воздействия инерционных сейсмических сил, возникающих в массе сооружения. Окончательно напряжённое состояние сооружения определяется на основе сопоставления результатов расчётов и модельных исследований. Исследованиями и расчётами напряжений в Ингурской и Чиркейской плотинах установлено полное использование прочностных свойств бетона в этих сооружениях.
Гидроузлы с плотинами из местных материалов как менее требовательные к геологическим условиям и строящиеся из местных суглинистых, песчаных, песчано-гравелистых грунтов и рваного камня в последние годы получают всё более широкое распространение. Конструктивную особенность сооружений таких гидроузлов определяют связанные с их возведением относительно большие объёмы открытых и подземных земельно-скальных работ. Поэтому успешное и экономичное возведение их становится возможным при наличии совершенных и высокопроизводительных средств механизации - мощных экскаваторов, скреперов, землесосных снарядов, большегрузных самосвалов, горнопроходческой и буровзрывной техники, позволяющих снизить стоимость и трудоёмкость производства работ и сократить сроки строительства. Этот тип плотин является одним из старейших.
Змеиногорская плотина высотой 18 м была построена ещё в 1787 г.
В период 1928-1950 г. был построен ряд каменно-земляных плотин сравнительно небольшой высоты: Маткожненская на р. Выг высотой 18 м, Гизельдонская высотой 20 м на Северном Кавказе и др., а также ряд каменно-набросных плотин: Мало-Ульбинская высотой 34.5 м на Алтае, Широковская высотой 40 м на Северном Урале (обе плотины с деревянными экранами) и Храмская в Грузии высотой 32 м со стальным экраном. В последующие 10 лет было построено свыше 10 более крупных каменно-земляных плотин: Ириклинская высотой 43 м на Урале, Ткибульская на реке Ткибули высотой 36 м и Сионская на р. Иори высотой 84.8 м в Грузинской ССР.
Миигечаурская песчано-галечная плотина на р. Куре является до настоящего времени наиболее высокой в мире намывной плотиной из местных материалов, отличается хорошим качеством в отношении плотности и устойчивости тела плотины и может служить примером инженерного решения конструкций плотин, возводимых способом гидромеханизации. На основе проведённых исследований на опытном полигоне был принят метод двустороннего намыва плотины с раскладкой крупных фракций песчано-галечного грунта в зоне внешних граней плотины и с отложением мелкопесчаных и илистых грунтов в зоне её ядра. При сооружении плотины объёмом 17.7 млн м³ был впервые применён метод безэстакадного намыва, что позволило значительно уменьшить срок возведения и снизить стоимость строительства плотины. Отвод воды реки в строительный период производился через донные железобетонные трубы, уложенные под телом плотины на скальном основании у левого берега р. Куры. В последующем эти трубы были использованы в качестве водоотводящего тракта эксплуатационного водосброса, голова которого размещается у подошвы верхового откоса ядра плотины. Дополнительный боковой водосброс с быстротоком и гасителем размещён в зоне сопряжения плотины с левым берегом. К зданию Мингечаурской ГЭС (установленная мощность 359 МВт подвод воды осуществлён через водоприёмник перед плотиной и стальные трубопроводы, сложенные в железобетонных трубах под телом плотины.
Гидроузлы этого типа являются экономичными при наличии вблизи от створа пригодных для гидромеханизации грунтов и особенно при использовании грунтов из полезных выемок для укладки в тело плотины, что позволяет сократить потребность в землеройных механизмах и транспорте.
По компоновке сооружений гидроузлы с плотинами из местных материалов можно разбить на две группы. Отличительная особенность первой группы заключается в использовании открытых береговых водосбросов для пропуска строительных расходов и в расположении всех бетонных сооружений на одном берегу реки. К таким относятся гидроузлы на Кольском полуострове: Кумской, Иовский, Верхне-Туломский, Серебрянский, а также Вилюйский в Якутии. Характерным является гидроузел Верхне-Туломской ГЭС с каменно-земляной плотиной и открытым эксплуатационным водосбросом, служившим также и для пропуска строительных расходов; водоприёмник ГЭС располагается рядом с этим водосбросом. На гидроузле Вилюйской ГЭС водозаборное сооружение ГЭС располагается в борту бокового водосброса. Пропуск строительных расходов при первой очереди строительства гидроузла был осуществлён через траншею в скалистом склоне противоположного берега реки, а при строительстве второй очереди - по эксплуатационному водосбросу, который в последующем наращивается.
На строительстве Серебрянской ГЭС с каменно-земляной плотиной и боковым открытым эксплуатационным водосбросом пропуск строительных расходов осуществляется через прорезь в скале правого берега под телом плотины. Эта прорезь перекрыта железобетонным сводом, а затем закрывается затворами и заполняется бетоном и грунтом.
На строительстве Усть-Хантайской ГЭС с каменно-земляной плотиной и боковым открытым эксплуатационным водосбросом пропуск строительных расходов в первый период строительства осуществляется через строительный туннель, а затем через эксплуатационный водосброс. Площадь сечения строительного туннеля рассчитана на пропуск меженных расходов реки, в связи с чем летом допускается затопление котлована и перелив воды через недостроенную плотину.
Отличительной чертой компоновки гидроузлов второй группы является устройство обходных туннелей как для сброса воды в строительный и эксплуатационный периоды, так и для подвода воды к турбинам гидроэлектростанции. При этом в зависимости от водности реки и мощности ГЭС сечения этих туннелей получаются как небольших (20-30 м²), так и весьма крупных (до 200-250 м²) размеров. Расположение водосбросных и энергетических сооружений на крупных строящихся гидроузлах принято разнобережным. К числу гидроузлов второй группы относятся Нурекский, Чарвакский, а также головной узел Татевской ГЭС.
Нурекский гидроузел является уникальным сооружением данного типа. В состав сооружений гидроузла входят: плотина из песчано-гравелистых грунтов с каменной пригрузкой и центральным ядром из суглинков; гидроэлектростанция мощностью 2700 МВт на правом берегу, с туннельными водоводами, имеющими уравнительные резервуары; туннельные водосбросные сооружения на левом берегу, предназначенные для сброса эксплуатационных расходов и для пропуска строительных расходов воды.
Чарвакский гидроузел на р. Чирчик включает каменнонабросную плотину высотой 168 м и здание гидроэлектростанции.
Следует отметить, что ввод в эксплуатацию рассматриваемых гидроузлов с напорами более 100 м производится при промежуточных напорах, для чего приходится сооружать строительные туннели в несколько ярусов; такое ограничение вызвано невозможностью на данном этапе изготовить затворы для управления водным потоком в туннелях столь больших сечений при напорах более 100 м. Так, на Нурекском гидроузле сбросные туннели сооружаются в три яруса (напор 270 м), а на Чарвакском гидроузле - в два. Разработка и внедрение высоконапорных затворов водосбросных отверстий гидроузлов является одной из неотложных задач, стоящих перед гидротехниками и специализированными заводами СССР. Во всех случаях для водосбросных туннелей эксплуатационного периода используются части строительных туннелей. Технические показатели по характерным гидроузлам приведены в таблице 3-13.
Конструкции плотин из местных материалов можно разделить на три группы по их материалу и типу противофильтрационных устройств.
К первой группе относятся плотины из моренных грунтов, создающих водонепроницаемое ядро, а пригрузка обоих откосов камнем служит для обеспечения устойчивости ядра и для восприятия волновых воздействий со стороны водохранилища. Сооружение плотины начинается с отсыпки каменного банкета, которым перекрывается река; расходы воды в реке отводятся по готовому к этому времени боковому водосбросному тракту. Затем производятся насыпка моренных грунтов в воду и постепенная насыпка слоя пригружающего камня. Между мореной и камнем укладываются слои обратного фильтра. Плотины этого типа сооружены в составе гидроузлов Кольского полуострова, в том числе на Верхне-Туломском (высота плотины 48 м и объём 2.9 млн м³), на Серебрянском (высота 73 м и объём 5.5 млн м³).
Ко второй группе относятся плотины из песчано-гравелистых материалов с водонепроницаемым ядром или экраном из суглинков и с пригрузкой откосов плотины крупным материалом. Сооружение плотины обычно производится насухо за перемычками, которые входят в последующем в профиль плотины. Эти перемычки в ряде случаев получаются весьма высокими, что зависит от размеров паводковых расходов реки и пропускной способности водоотводящих сооружений. Необходимость обеспечить работу в котловане плотины насухо диктуется условием подготовки основания под ядром или экраном плотины. Характерным примером плотины из гравийно-галечных грунтов является плотина Нурекского гидроузла высотой 310 м и объёмом 58 млн м³ с ядром из суглинков. Высота верховой перемычки составляет 70 м, что превосходит обычно встречающиеся размеры плотин для достаточно крупных гидроузлов. Экспериментальная плотина высотой 80 м из песчано-гравелистых грунтов с цементационной диафрагмой, переходящей в экран из полиэтиленовой пленки, строится на р. Атбаши в Киргизской ССР. Подобная конструкция плотины откроет возможность строительства плотин без перемычек и без осушения котлована, что в определённых условиях может дать сокращение сроков и стоимости строительства.
К третьей группе относятся каменнонабросные плотины с экраном или центральным ядром из водоупорных материалов. Такие плотины построены в составе Вилюйского гидроузла и строятся в составе Чарвакского и Усть-Хаитайского гидроузлов.
Наиболее высокой строящейся в СССР каменнонабросной плотиной является Чарвакская высотой 168 м, с центральным суглинистым ядром. Объём тела плотины 19 млн м³.
Вилюйский и Усть-Хантайский гидроузлы расположены в зоне многолетней мерзлоты. В состав сооружений Вилюйского гидроузла входят: каменнонабросная плотина высотой 69.5 м, объёмом 7.1 млн м³ с экраном из хрящеватых суглинков покровного делювия, водосброс поверхностного типа и здание ГЭС. Усть-Хантайский гидроузел имеет тот же состав сооружений и строится с плотиной высотой 65 м и объёмом 2.1 млн м³.
Возведение плотин данного типа в условиях Крайнего Севера при длительных морозных периодах сопряжено с большими затруднениями и потребовало осуществления цементационной галереи по контуру сопряжения экрана со скалой и сложной организации работ по отсыпке экрана зимой. Следует отметить, что работы в скале в зоне многолетней мерзлоты, имеющей среднегодовые температуры минус 8-10°С, также связаны с необходимостью осуществления специальных мероприятий (электропрогрев бетона, цементационные и дренажные устройства и др.). Удаленность гидроузлов от промышленных центров и от общесоюзных транспортных путей и затруднения по эксплуатации механизмов в морозные дни с температурой ниже минус 30-40°С приводят к удорожанию их строительства.
В настоящее время ведутся работы по изысканию более экономичных типов гидроузлов для зоны распространения многолетней мерзлоты. Оригинальная конструкция плотины с мерзлотной диафрагмой осуществлена на р. Ирелях для водоснабжения г. Мирного. Плотина высотой 20 м из местных суглинистых грунтов имеет в центральной части систему трубчатых охладителей, по которым в морозный период продувается холодный воздух, образующий мерзлотную диафрагму толщиной, достаточной для сохранения мерзлотного ядра в течение всего тёплого периода года.
Приливные гидроэлектростанции, использующие энергетические ресурсы морских приливов и отливов, могут представлять интерес как возможный источник энергии для районов побережья Баренцева, Белого и Охотского морей. Возможные к использованию энергетические ресурсы морских приливов на Баренцевом и Белом морях оцениваются величиной порядка 40 млрд квт-ч. В настоящее время сделаны первые шаги по изучению практической возможности освоения этих ресурсов.
На Кольском полуострове в 1968 г. начата эксплуатация опытно-промышленной приливной электростанции - Кислогубской ПЭС. На первой очереди этой станции установлен один горизонтальный агрегат капсульного типа, обратимого действия, мощностью 400 кВт. При строительстве Кислогубской ПЭС впервые в мировой практике был применен наплавной способ сооружения блоков гидроэлектростанций. Железобетонный корпус ПЭС изготовлялся близ Мурманска и в отдельном котловане, там же монтировалось основное оборудование. После затопления котлована блок ПЭС всплыл и на буксире был доставлен в Кислую Губу, где подводным способом была заготовлена постель для его установки. После затопления блока и устройства береговых примыканий приливная электростанция была готова к работе.
Наплавное здание опытной Кислогубской ПЭС
<< предыдущее - часть 2 <<
Гидроузлы на предгорных и каньонных участках рек
Гидроузлы такого типа строятся в разных районах страны - на Кольском полуострове и в Карелии, на Урале и в Закавказье, Казахстане и Средней Азии, в Сибири и Якутии, на Алтае и Дальнем Востоке. Поэтому природные условия строительства отличаются большим разнообразием по климату, гидрологии и инженерной геологии. Существенное влияние при выборе типов гидротехнических сооружений оказывает географическое положение, особенно для гидроузлов, удалённых от промышленных центров и общесоюзной сети путей сообщения. Разнообразие природных и строительно-хозяйственных условий строительства определяет многообразие возможных инженерных решений компоновок и конструкций гидротехнических сооружений, среди которых можно выделить некоторые группы, характеризующие ведущие направления современного гидротехнического строительства на реках предгорных и горных районов.
Первыми по времени гидроэлектростанциями с бетонными гравитационными плотинами на скальном основании были Волховский и Днепровский гидроузлы.
Волховский гидроузел (1918-1926 гг.) положил начало отечественному комплексному гидротехническому строительству. В составе этого гидроузла бетонная водосливная плотина без затворов на гребне, здание гидроэлектростанции с ледозащитной стенкой, образующей аванкамеру, водовыпуск из аванкамеры, рыбоход и судоходный одноступенчатый шлюз с подходными каналами. Все сооружения располагаются на известняках. Максимальная строительная высота плотины 17.6 м, длина по гребню 212.3 м, мощность ГЭС (после реконструкции) 66 МВт в 8 гидроагрегатах.
Днепровский гидроузел на Днепре, построенный в 1927-1934 гг., является до сих пор одним из крупнейших в Европе. По составу основных сооружений гидроузел на Днепре мало чем отличается от гидроузла на Волхове. В него также входят водосливная бетонная плотина, здание гидроэлектростанции с аванкамерой и судопропускные сооружения в виде однониточного трёхступенчатого шлюза с аванпортом в верхнем бьефе и подходным каналом в нижнем бьефе. Но по своим размерам и конструкции, а также по объёмам строительных работ, уровню механизации, срокам их выполнения сооружения Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина резко отличаются от сооружений Волховской гидроэлектростанции. Это совсем другой масштаб и технический уровень строительства.
На большей части своей длины плотина Днепровской гидроэлектростанции имени В.И.Ленина представляет собой водосливную плотину гравитационного типа с плоскими затворами на гребне. Она имеет максимальную строительную высоту 62.0 м и создает подпор около 38.5 м. Оси плотины в плане придано криволинейное очертание по дуге круга с радиусом 600 м. Общая длина водосливной плотины между береговыми устоями 760.5 м. Пропускная способность каждого из 47 водосливных пролётов при нормальном подпорном уровне составляет около 820 м³/сек.
Здание гидроэлектростанции - приплотинное, с вынесенным вперёд водоприёмником (щитовой стенкой), расположено у правого берега. Мощность гидроэлектростанции в 9 гидроагрегатах первоначально (до Великой Отечественной войны) была равна 590 МВт. При восстановлении разрушенных во время войны сооружений гидроузла напор на плотине был увеличен и мощность ГЭС была доведена до 650 МВт. В настоящее время начато строительство второго здания ГЭС у левобережного примыкания плотины, в котором будут смонтированы 8 агрегатовсуммарной мощностью 828 МВт. В результате осуществления этой реконструкции установленная мощность Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина возрастет до 1478 МВт, т.е. в 2.5 раза против первоначальной величины.
После Днепровской ГЭС имени В.И.Ленина к строительству гидроузлов с бетонными плотинами на скальном основании и с приплотинными зданиями гидроэлектростанций практически вернулись лишь через 15 лет, когда началось интенсивное освоение гидроэнергетических ресурсов восточных районов страны и, в частности, гидроэнергии таких рек, как Иртыш, Ангара и Енисей.
В период с 1947 по 1969 г. на этих реках было построено и начато строительство шести гидроэлектростанций общей установленной мощностью 19 млн кВт и среднемноголетней выработкой электроэнергии около 93.4 млрд квт-ч.
На Иртыше были построены Усть-Каменогорский (1939-1953 гг.) и Бухтарминский (1953-1961 гг.) гидроузлы с высотами плотин до 65 и 90 м и напорами на них 42 и 68 м соответственно.
На Ангаре сдан в промышленную эксплуатацию Братский гидроузел (1955-1967 гг.) и с 1963 г. развёрнуты работы по возведению сооружений Усть-Илимского гидроузла; напоры на этих гидроузлах составляют 106 и 90 м, а максимальные высоты плотин - 126 и 105 м соответственно.
На Енисее заканчивается строительство Красноярского гидроузла, создающего подпор 100 м при высоте плотины 120 м. Общим для большинства указанных гидроузлов является то, что они возводятся в суровых климатических условиях на крупных водотоках в труднодоступных и слабообжитых районах.
Кроме этих пяти гидроузлов, на севере Иркутской области был построен и с 1963 г. эксплуатируется при напоре 46 м Мамаканский гидроузел с бетонной плотиной высотой 58 м, расположенный недалеко от устья р. Мамакан, впадающей в р. Витим.
Характерным для большинства гидроузлов с бетонными плотинами, построенных в послевоенные годы, является наличие при них водохранилищ, способных осуществлять сезонное, а в ряде случаев и многолетнее регулирование стока реки. Бетонные плотины в составе указанных выше гидроузлов являются основными подпорными сооружениями, перекрывающими либо всю долину реки, как это, например, имеет место на Мамаканском, Красноярском и обоих Иртышских гидроузлах, либо только наиболее глубокие (русловые) её участки, как это решено на Братском и Усть-Илимском гидроузлах. Береговые участки долины в обоих Ангарских гидроузлах перекрыты плотинами из местных каменно-земляных материалов, суммарная протяжённость которых достигает на Братском створе 72%, а на Усть-Илимском створе почти 60% общей длины напорного фронта.
На судоходных реках в составе гидроузлов, как правило, предусматриваются судопропускные сооружения. В зависимости от интенсивности судоходства, напора на плотине и местных природных условий (рельеф и геология) эти сооружения осуществляются либо в виде шлюзов (однокамерных, многоступенчатых, шахтного типа и т.п.), либо в виде судоподъёмников. Так, например, судоходные шлюзы построены: при Бухтарминской - четырехступенчатый, а при Усть-Каменогорской - шахтного типа. При Красноярской плотине сооружается наклонный судоподъёмник, уникальный не только по преодолеваемому напору (100 м), но и по пропускной способности.
В таблице 3-11 приведены некоторые технико-экономические показатели по построенным и строящимся гидроузлам с гравитационными плотинами на скальных основаниях.
Бетонные гравитационные плотины в составе таких гидроузлов являются главным сооружением, определяющим сроки строительства и его экономическую эффективность. Поэтому выбору конструкции плотин в проектах уделяется много внимания. Особо тщательному и всестороннему изучению подвергаются свойства скальных пород, залегающих в основании плотин: их прочность, водопроницаемость, суффозионная устойчивость, сжимаемость (модуль деформации), трещиноватость, сопротивляемость сдвигу и др. Выполненные на Братском створе специальные изыскательские и научно-исследовательские работы по изучению свойств диабазов позволили за счёт учёта сил сцепления повысить в окончательном проекте расчётное значение обобщённого коэффициента сопротивления сдвигу (бетона по скале) с 0.65-0.70, которые были приняты на предыдущей стадии проектирования, до 0.80-0.90, т.е. почти на 30%. Соответственно этому был уменьшен и объём бетона в плотине.
В целях снижения противодавления на подошву плотины в её основании устраиваются со стороны верхнего бьефа цементационная завеса, а за ней - скважины разгрузочного дренажа. Дополнительным облегчающим мероприятием в этом отношении являются также расширенные межсекционные швы, устроенные в Братской, Мамаканской плотинах и в станционных секциях Бухтарминской плотины. На основании теоретических, лабораторных и натурных исследований напряжённого состояния плотин были разработаны конструктивные и технологические мероприятия, повышающие монолитность сооружения и предотвращающие трещинообразованне в бетоне: разбивка плотин на секции температурно-деформационными швами, а секций на блоки бетонирования; теплоизоляция, охлаждение бетона и армирование наиболее напряжённых зон; применение низкотермичных цементов и пластифицирующих добавок; повышение однородности бетона; снижение температуры укладываемой бетонной смеси и др.
Расстояния между постоянными деформационными швами в построенных бетонных плотинах составляют от 7.5 и 15.0 м на участках глухих секций плотины Красноярской ГЭС, до 11.0 и 22.0 м на плотине Братской ГЭС. Пролеты расширенных швов Братской плотины в русловых секциях равны 7 м (т.е. почти 32% ширины секций), а в береговых - 4 м (около 36% ширины секций). В плотине Мамаканской ГЭС ширина расширенных швов составляет 41% ширины секций (6 м из 14.5 м), а в плотине Бухтарминской ГЭС - около 16% (3 м из 19 м). Поперечные профили построенных у нас плотин приняты треугольной формы с вертикальной верховой гранью и с уклоном низовой грани 0.8.
Сброс паводковых расходов в нижний бьеф, как правило, осуществляется через поверхностные водосливы, на гребне которых установлены либо плоские (Усть-Каменогорская, Бухтарминская и Красноярская ГЭС), либо сегментные (Братская, Мамаканская и Усть-Илимская ГЭС) затворы. Ширина пролётов водосбросных отверстий на Усть-Каменогорском, Бухтарминском, Братском и Усть-Илимском гидроузлах 18 м, на Красноярском 25 м и на Мамаканском - 12 м. Высота затворов варьирует от 6 до 12 м, а удельные расходы воды достигают 100-120 м³/сек на 1 м длины водосбросного фронта. Иногда в дополнение к поверхностным водосливам устраиваются и глубинные водосбросы. Сопряжение сбрасываемого через водосливы потока с нижним бьефом осуществляется с помощью носка-трамплина, отбрасывающего струю на 80-120 м от подошвы низовой грани плотины.
Водоприёмные отверстия для водоводов гидроэлектростанций располагаются в верхней части профиля станционных секций плотин и оборудуются плоскими затворами и сорозадерживающими решётками. Подвод воды к турбинам осуществляется по стальным напорным водоводам, прокладываемым в теле бетонных плотин (Бухтарминская, Братская, Усть-Илимская ГЭС) или по низовой грани плотины (Красноярская ГЭС).
Здания гидроэлектростанций чаще всего располагаются в русле реки, примыкая непосредственно к станционным секциям плотины. Но возможны и иные решения: в районах с суровым климатом схема с подземным зданием ГЭС заслуживает особого внимания, так как позволяет практически полностью смять все ограничения по производству работ, обусловленные состоянием погоды и температуры воздуха. В зданиях ГЭС устанавливаются возможно более крупные гидроагрегаты (Бухтарминская - 9х75 МВт, Братская - 16х225 и 4х250 МВт, Усть-Илимская - 18x240 МВт и Красноярская - 12x500 МВт). При этом в каждом случае оптимальная единичная мощность выбирается на основании технико-экономических сопоставлений.
Строительство бетонных сооружений большинства гидроузлов осуществлялось в две очереди, за перемычками, расходы реки во время первой очереди работ пропускали по стесненному перемычками руслу, а во вторую очередь - через донные и глубинные отверстия, временно устраиваемые в глухих или водосливных секциях плотины, находящихся в пределах котлована первой очереди.
При решении стройгенплана стремятся расположить все производственные предприятия, вспомогательные хозяйства строительства и рабочий посёлок на одном из берегов. Отступления были на строительстве Красноярской ГЭС, где потребовалось для выполнения работ первой очереди построить автодорожный мост через р. Енисей, и на строительстве Братской ГЭС имени 50-летия Великого Октября, где посёлки размещены на обоих берегах из-за создания в районе гидроузла крупных промышленных предприятий и базы стройиндустрии.
Гидроузлы с бетонными арочными и арочно-гравитационными плотинами при благоприятных топографических и инженерно-геологических условиях более экономичны по сравнению с гидроузлами с другими типами плотин, так как позволяют более полно использовать прочностные свойства бетона. В 1937 г. впервые в СССР была построена арочная плотина высотой 69.5 м на р. Каракойсу в Дагестанской АССР в составе сооружений Гергебильской приплотинной ГЭС. В 1960 г. вторая арочная плотина высотой 69 м построена на р. Ладжанури в Грузинской ССР в составе головного узла Ладжанурской ГЭС.
Строятся арочные и арочно-гравитационные плотины, уникальные по своим параметрам и масштабам работ: Ингурская высотой 271.5 м, с объёмом бетона 3.7 млн м³, Чиркейская высотой 231 м с объёмом бетона 1.6 млн м³ и Саянская высотой 237 м с объёмом бетона 9.1 млн м³. Намечено строительство новых гидроузлов с арочными плотинами: Намахванского на р. Риони, Миатлинского на р. Сулак (Дагестан) и других. Приплотинные компоновки гидроузлов с арочными плотинами осуществляются с подземным или открытым расположением здания ГЭС. В практике нашего строительства отдаётся предпочтение открытому размещению здания ГЭС непосредственно ниже арочной плотины. Такие решения приняты для Саянского и Чиркейского гидроузлов. Строительные расходы пропускают через обходные туннели или отверстия в плотине, а сброс паводковых расходов эксплуатационного периода осуществляется через водосбросы, размещённые в теле плотины.
Примером приплотинной гидроэлектростанции с арочной плотиной является Чиркейская ГЭС на р. Сулак в Дагестанской АССР мощностью 1000 МВт в четырёх агрегатах, сооружаемая в глубоком узком каньоне с отвесными берегами. Плотина высотой 231 м состоит из арочной части и так называемой "пробки". Ширина сооружения по низу 76 м. Напорные турбинные трубопроводы пересекают тело плотины и спускаются к зданию ГЭС, расположенному у низовой грани "пробки". В связи с узостью ущелья четыре агрегата ГЭС мощностью по 250 тыс кВт размещены в здании ГЭС в два ряда. Отсасывающие трубы агрегатов располагаются в два яруса друг над другом. Двухрядная компоновка гидросилового оборудования, осуществляемая впервые в мировой практике, была исследована на гидравлических моделях и выявила вполне удовлетворительные результаты работы. Паводковый туннельный водосброс расположен в скальном массиве левого берега и рассчитан на расход 2400 м³/сек. Пропуск строительных расходов в обход котлована сооружений и подъезд к зданию гидроэлектростанции также осуществляются через туннели.
Самым крупным гидроузлом в Советском Союзе является строящаяся Саянская ГЭС на Енисее при напоре 222 м, мощностью 5300 МВт с возможностью её увеличения до 6400 МВт. Саянская ГЭС приплотинного типа по своим компоновочным, инженерно-строительным особенностям и энергетическим параметрам является уникальным объектом в мировом гидротехническом строительстве.
В арочно-гравитационной плотине (высота 237 м, длина по гребню 1000 м) размещены все водопропускные и водосбросные сооружения на общий расход 15000 м³/сек. Боковые отводы воды полностью исключены. Станционная часть плотины включает 20 водоприёмных отверстий и обетонированные стальные трубопроводы диаметром 6.5 м, проложенные по низовой грани плотины, для подвода воды к зданию ГЭС с гидроагрегатами мощностью по 640 МВт. Водосбросные устройства, расположенные в отдельных секциях плотины, представляют двухъярусные глубинные отверстия, перекрываемые затворами, работающими под напором до 95 м.
Плотинно-деривационные компоновки гидроузлов включают головные узлы, аналогичные приплотинным схемам, но здания ГЭС, открытые или подземные, размещаются на деривации. Наиболее крупным гидроузлом этого типа является головной узел Ингурской гидроэлектростанции.
Бетонная арочная плотина Ингурского гидроузла высотой 271.5 м расположена в узком ущелье, береговые склоны которого сложены трещиноватыми известняками и доломитами. Плотина имеет несимметричное очертание. В период эксплуатации пропуск паводковых расходов реки производится через водосброс, расположенный на гребне плотины. Аварийное опорожнение водохранилища осуществляется через глубинные водовыпуски. В период строительства расходы реки отводятся через левобережный строительный туннель, а в дальнейшем, при промежуточном эксплуатационном уровне водохранилища - через водосбросные отверстия, устроенные в центральной части плотины. Эти отверстия используются в период эксплуатации для сброса расходов реки обеспеченностью менее 1%.
В состав головного узла входит глубинный водоприёмник, расположенный на склоне правого берега. Он рассчитан на забор 450 м³/сек воды в деривацию при максимальной сработке водохранилища на 90 м. Воды р. Ингури по напорному деривационному туннелю длиной 15 км и диаметром в свету 9.5 м подводятся к подземному станционному узлу Ингурской ГЭС. Он состоит из уравнительного резервуара, пяти ниток напорных подземных турбинных водоводов, подземного здания ГЭС с пятью агрегатами общей мощностью 1.3 млн кВт и отводящего безнапорного туннеля длиной 3.25 км. Отработанная вода поступает в водохранилище расположенной ниже Перепадной ГЭС-I на р. Эрис-Цкали. На отводящем канале этой ГЭС длиной 23.5 км размещаются ещё три небольшие гидроэлектростанции: Перепадные ГЭС-II, III и IV. На перечисленных пяти гидроэлектростанциях используется суммарный напор 510 м, общая мощность всех пяти ГЭС 1.6 млн кВт.
Некоторую аналогию по компоновке сооружений головного гидроузла будет иметь Намахванская ГЭС, которая явится регулирующей в каскаде гидроэлектростанций на р. Риони (Грузинская ССР). Мощность ГЭС первой очереди 360 МВт в трёх агрегатах, полная мощность 480 МВт. Основным подпорным сооружением Намахванского гидроузла принята бетонная арочная плотина высотой 160 м. Паводковый водосброс на расход 3000 м³/сек как и на Ингурской плотине, расположен на гребне плотины. Более широкий створ плотины позволяет пропустить расходы реки в период строительства через канал-прорезь у левого берега (первая очередь), а затем через три отверстия в теле плотины. Для опорожнения водохранилища служит глубинный водовыпуск.
Технические показатели гидроузлов приведены в таблице 3-12.
Главным сооружением гидроузлов этой группы является арочная бетонная плотина, передающая горизонтальное давление воды почти полностью на берега. Поэтому основным условием для выбора створа было требование обеспечить возможность передачи больших усилий на скальные берега без развития значительных деформаций, вредных для сооружения. Скала в местах опирания арок должна быть прочной, монолитной, малодеформируемой, водонепроницаемой и водоустойчивой. Поэтому инженерно-геологическим исследованиям районов створов арочных плотин уделялось повышенное внимание. Наибольшее распространение в практике СССР получили арочные плотины с упругой заделкой по всему периметру основания, а также с пробкой в узкой части каньона. Разрабатываются варианты плотин с периметральным швом, со швами-надрезами и другие.
Кроме плотин с круговыми арками, в настоящее время внедряются в относительно широких створах плотины некругового очертания с радиусами, увеличивающимися к пятам. Ингурская плотина принята некругового очертания с трёхцентровыми арками, что позволило уменьшить на 200 тыс м³ объём бетона, при несколько более благоприятном напряжённом состоянии сооружения, нежели в круговой плотине. Разрабатывается вариант Намахванской плотины, очерченной в плане по логарифмической спирали для уменьшения изгибающих моментов.
Надёжность береговых примыканий арочных плотин при наличии ослабленных зон или других дефектов скальных оснований обеспечивается специальными конструктивными мероприятиями, позволяющими рассредоточить передачу давления от плотины на большие площади, а также комплексом работ по заделке трещин бетоном и цементацией.
Проекты высоких арочных плотин обосновываются обширными статическими расчётами (с использованием электронных счетно-решающих машин) и исследованиями. Выполняются также расчёты термонапряжённого состояния и сейсмостойкости арочных плотин. Техника модельных исследований арочных плотин на основные нагрузки достигла высокого уровня. Исследования выполняются с учётом последовательности возведения и замоноличивания сооружений приближенно оптическим методом на упругих моделях и более точно на хрупких моделях.
Качество скального основания сооружения раньше оценивалось лишь его деформационными характеристиками. В настоящее время испытывают также геомехаиические модели, воспроизводящие совместную работу плотины и основания с учётом особенностей его геологического строения, деформируемости, прочности, трещиноватости и слоистости скальных пород. Моделированием на сейсмических платформах определяются напряжения в плотине от воздействия инерционных сейсмических сил, возникающих в массе сооружения. Окончательно напряжённое состояние сооружения определяется на основе сопоставления результатов расчётов и модельных исследований. Исследованиями и расчётами напряжений в Ингурской и Чиркейской плотинах установлено полное использование прочностных свойств бетона в этих сооружениях.
Гидроузлы с плотинами из местных материалов как менее требовательные к геологическим условиям и строящиеся из местных суглинистых, песчаных, песчано-гравелистых грунтов и рваного камня в последние годы получают всё более широкое распространение. Конструктивную особенность сооружений таких гидроузлов определяют связанные с их возведением относительно большие объёмы открытых и подземных земельно-скальных работ. Поэтому успешное и экономичное возведение их становится возможным при наличии совершенных и высокопроизводительных средств механизации - мощных экскаваторов, скреперов, землесосных снарядов, большегрузных самосвалов, горнопроходческой и буровзрывной техники, позволяющих снизить стоимость и трудоёмкость производства работ и сократить сроки строительства. Этот тип плотин является одним из старейших.
Змеиногорская плотина высотой 18 м была построена ещё в 1787 г.
В период 1928-1950 г. был построен ряд каменно-земляных плотин сравнительно небольшой высоты: Маткожненская на р. Выг высотой 18 м, Гизельдонская высотой 20 м на Северном Кавказе и др., а также ряд каменно-набросных плотин: Мало-Ульбинская высотой 34.5 м на Алтае, Широковская высотой 40 м на Северном Урале (обе плотины с деревянными экранами) и Храмская в Грузии высотой 32 м со стальным экраном. В последующие 10 лет было построено свыше 10 более крупных каменно-земляных плотин: Ириклинская высотой 43 м на Урале, Ткибульская на реке Ткибули высотой 36 м и Сионская на р. Иори высотой 84.8 м в Грузинской ССР.
Миигечаурская песчано-галечная плотина на р. Куре является до настоящего времени наиболее высокой в мире намывной плотиной из местных материалов, отличается хорошим качеством в отношении плотности и устойчивости тела плотины и может служить примером инженерного решения конструкций плотин, возводимых способом гидромеханизации. На основе проведённых исследований на опытном полигоне был принят метод двустороннего намыва плотины с раскладкой крупных фракций песчано-галечного грунта в зоне внешних граней плотины и с отложением мелкопесчаных и илистых грунтов в зоне её ядра. При сооружении плотины объёмом 17.7 млн м³ был впервые применён метод безэстакадного намыва, что позволило значительно уменьшить срок возведения и снизить стоимость строительства плотины. Отвод воды реки в строительный период производился через донные железобетонные трубы, уложенные под телом плотины на скальном основании у левого берега р. Куры. В последующем эти трубы были использованы в качестве водоотводящего тракта эксплуатационного водосброса, голова которого размещается у подошвы верхового откоса ядра плотины. Дополнительный боковой водосброс с быстротоком и гасителем размещён в зоне сопряжения плотины с левым берегом. К зданию Мингечаурской ГЭС (установленная мощность 359 МВт подвод воды осуществлён через водоприёмник перед плотиной и стальные трубопроводы, сложенные в железобетонных трубах под телом плотины.
Гидроузлы этого типа являются экономичными при наличии вблизи от створа пригодных для гидромеханизации грунтов и особенно при использовании грунтов из полезных выемок для укладки в тело плотины, что позволяет сократить потребность в землеройных механизмах и транспорте.
По компоновке сооружений гидроузлы с плотинами из местных материалов можно разбить на две группы. Отличительная особенность первой группы заключается в использовании открытых береговых водосбросов для пропуска строительных расходов и в расположении всех бетонных сооружений на одном берегу реки. К таким относятся гидроузлы на Кольском полуострове: Кумской, Иовский, Верхне-Туломский, Серебрянский, а также Вилюйский в Якутии. Характерным является гидроузел Верхне-Туломской ГЭС с каменно-земляной плотиной и открытым эксплуатационным водосбросом, служившим также и для пропуска строительных расходов; водоприёмник ГЭС располагается рядом с этим водосбросом. На гидроузле Вилюйской ГЭС водозаборное сооружение ГЭС располагается в борту бокового водосброса. Пропуск строительных расходов при первой очереди строительства гидроузла был осуществлён через траншею в скалистом склоне противоположного берега реки, а при строительстве второй очереди - по эксплуатационному водосбросу, который в последующем наращивается.
На строительстве Серебрянской ГЭС с каменно-земляной плотиной и боковым открытым эксплуатационным водосбросом пропуск строительных расходов осуществляется через прорезь в скале правого берега под телом плотины. Эта прорезь перекрыта железобетонным сводом, а затем закрывается затворами и заполняется бетоном и грунтом.
На строительстве Усть-Хантайской ГЭС с каменно-земляной плотиной и боковым открытым эксплуатационным водосбросом пропуск строительных расходов в первый период строительства осуществляется через строительный туннель, а затем через эксплуатационный водосброс. Площадь сечения строительного туннеля рассчитана на пропуск меженных расходов реки, в связи с чем летом допускается затопление котлована и перелив воды через недостроенную плотину.
Отличительной чертой компоновки гидроузлов второй группы является устройство обходных туннелей как для сброса воды в строительный и эксплуатационный периоды, так и для подвода воды к турбинам гидроэлектростанции. При этом в зависимости от водности реки и мощности ГЭС сечения этих туннелей получаются как небольших (20-30 м²), так и весьма крупных (до 200-250 м²) размеров. Расположение водосбросных и энергетических сооружений на крупных строящихся гидроузлах принято разнобережным. К числу гидроузлов второй группы относятся Нурекский, Чарвакский, а также головной узел Татевской ГЭС.
Нурекский гидроузел является уникальным сооружением данного типа. В состав сооружений гидроузла входят: плотина из песчано-гравелистых грунтов с каменной пригрузкой и центральным ядром из суглинков; гидроэлектростанция мощностью 2700 МВт на правом берегу, с туннельными водоводами, имеющими уравнительные резервуары; туннельные водосбросные сооружения на левом берегу, предназначенные для сброса эксплуатационных расходов и для пропуска строительных расходов воды.
Чарвакский гидроузел на р. Чирчик включает каменнонабросную плотину высотой 168 м и здание гидроэлектростанции.
Следует отметить, что ввод в эксплуатацию рассматриваемых гидроузлов с напорами более 100 м производится при промежуточных напорах, для чего приходится сооружать строительные туннели в несколько ярусов; такое ограничение вызвано невозможностью на данном этапе изготовить затворы для управления водным потоком в туннелях столь больших сечений при напорах более 100 м. Так, на Нурекском гидроузле сбросные туннели сооружаются в три яруса (напор 270 м), а на Чарвакском гидроузле - в два. Разработка и внедрение высоконапорных затворов водосбросных отверстий гидроузлов является одной из неотложных задач, стоящих перед гидротехниками и специализированными заводами СССР. Во всех случаях для водосбросных туннелей эксплуатационного периода используются части строительных туннелей. Технические показатели по характерным гидроузлам приведены в таблице 3-13.
Конструкции плотин из местных материалов можно разделить на три группы по их материалу и типу противофильтрационных устройств.
К первой группе относятся плотины из моренных грунтов, создающих водонепроницаемое ядро, а пригрузка обоих откосов камнем служит для обеспечения устойчивости ядра и для восприятия волновых воздействий со стороны водохранилища. Сооружение плотины начинается с отсыпки каменного банкета, которым перекрывается река; расходы воды в реке отводятся по готовому к этому времени боковому водосбросному тракту. Затем производятся насыпка моренных грунтов в воду и постепенная насыпка слоя пригружающего камня. Между мореной и камнем укладываются слои обратного фильтра. Плотины этого типа сооружены в составе гидроузлов Кольского полуострова, в том числе на Верхне-Туломском (высота плотины 48 м и объём 2.9 млн м³), на Серебрянском (высота 73 м и объём 5.5 млн м³).
Ко второй группе относятся плотины из песчано-гравелистых материалов с водонепроницаемым ядром или экраном из суглинков и с пригрузкой откосов плотины крупным материалом. Сооружение плотины обычно производится насухо за перемычками, которые входят в последующем в профиль плотины. Эти перемычки в ряде случаев получаются весьма высокими, что зависит от размеров паводковых расходов реки и пропускной способности водоотводящих сооружений. Необходимость обеспечить работу в котловане плотины насухо диктуется условием подготовки основания под ядром или экраном плотины. Характерным примером плотины из гравийно-галечных грунтов является плотина Нурекского гидроузла высотой 310 м и объёмом 58 млн м³ с ядром из суглинков. Высота верховой перемычки составляет 70 м, что превосходит обычно встречающиеся размеры плотин для достаточно крупных гидроузлов. Экспериментальная плотина высотой 80 м из песчано-гравелистых грунтов с цементационной диафрагмой, переходящей в экран из полиэтиленовой пленки, строится на р. Атбаши в Киргизской ССР. Подобная конструкция плотины откроет возможность строительства плотин без перемычек и без осушения котлована, что в определённых условиях может дать сокращение сроков и стоимости строительства.
К третьей группе относятся каменнонабросные плотины с экраном или центральным ядром из водоупорных материалов. Такие плотины построены в составе Вилюйского гидроузла и строятся в составе Чарвакского и Усть-Хаитайского гидроузлов.
Наиболее высокой строящейся в СССР каменнонабросной плотиной является Чарвакская высотой 168 м, с центральным суглинистым ядром. Объём тела плотины 19 млн м³.
Вилюйский и Усть-Хантайский гидроузлы расположены в зоне многолетней мерзлоты. В состав сооружений Вилюйского гидроузла входят: каменнонабросная плотина высотой 69.5 м, объёмом 7.1 млн м³ с экраном из хрящеватых суглинков покровного делювия, водосброс поверхностного типа и здание ГЭС. Усть-Хантайский гидроузел имеет тот же состав сооружений и строится с плотиной высотой 65 м и объёмом 2.1 млн м³.
Возведение плотин данного типа в условиях Крайнего Севера при длительных морозных периодах сопряжено с большими затруднениями и потребовало осуществления цементационной галереи по контуру сопряжения экрана со скалой и сложной организации работ по отсыпке экрана зимой. Следует отметить, что работы в скале в зоне многолетней мерзлоты, имеющей среднегодовые температуры минус 8-10°С, также связаны с необходимостью осуществления специальных мероприятий (электропрогрев бетона, цементационные и дренажные устройства и др.). Удаленность гидроузлов от промышленных центров и от общесоюзных транспортных путей и затруднения по эксплуатации механизмов в морозные дни с температурой ниже минус 30-40°С приводят к удорожанию их строительства.
В настоящее время ведутся работы по изысканию более экономичных типов гидроузлов для зоны распространения многолетней мерзлоты. Оригинальная конструкция плотины с мерзлотной диафрагмой осуществлена на р. Ирелях для водоснабжения г. Мирного. Плотина высотой 20 м из местных суглинистых грунтов имеет в центральной части систему трубчатых охладителей, по которым в морозный период продувается холодный воздух, образующий мерзлотную диафрагму толщиной, достаточной для сохранения мерзлотного ядра в течение всего тёплого периода года.
Приливные гидроэлектростанции, использующие энергетические ресурсы морских приливов и отливов, могут представлять интерес как возможный источник энергии для районов побережья Баренцева, Белого и Охотского морей. Возможные к использованию энергетические ресурсы морских приливов на Баренцевом и Белом морях оцениваются величиной порядка 40 млрд квт-ч. В настоящее время сделаны первые шаги по изучению практической возможности освоения этих ресурсов.
На Кольском полуострове в 1968 г. начата эксплуатация опытно-промышленной приливной электростанции - Кислогубской ПЭС. На первой очереди этой станции установлен один горизонтальный агрегат капсульного типа, обратимого действия, мощностью 400 кВт. При строительстве Кислогубской ПЭС впервые в мировой практике был применен наплавной способ сооружения блоков гидроэлектростанций. Железобетонный корпус ПЭС изготовлялся близ Мурманска и в отдельном котловане, там же монтировалось основное оборудование. После затопления котлована блок ПЭС всплыл и на буксире был доставлен в Кислую Губу, где подводным способом была заготовлена постель для его установки. После затопления блока и устройства береговых примыканий приливная электростанция была готова к работе.
Наплавное здание опытной Кислогубской ПЭС