Тема Компоновка гидроузлов При проектировании строительства гидроузлов

Тема. Компоновка гидроузлов

При проектировании строительства гидроузлов на определенном этапе рассматривают различные варианты его компоновки в русле реки. При сопоставлении вариантов компоновки гидроузла следует учитывать сроки и размеры затрат, необходимых по каждому варианту для первоочередного ввода объектов хозяйственного комплекса, а также выдачи мощности гидроэлектростанции на неполном напоре и др.

Строительство гидроузла должно иметь: - экономическое; - инженерно-техническое; - социально-экологическое обоснование.

Экономическая целесообразность строительства в первом приближении оценивается коэффициентом эффективности. Этот коэффициент равен отношению чистого дохода к величине капитальных вложений и является величиной, обратной сроку окупаемости. Значение этого коэффициента должно соответствовать нормативным требованиям. См доп. интернет

Инженерно-техническую возможность строительства подтверждают гидрологическим и водохозяйственным расчетом, оценкой надежности геологии, анализом батиграфических показателей ложа. Социально-экологическое обоснование. Удовлет -ворение нормативных требований к качеству воды, защите ее от загрязнения, глубине водоема, уровню подъема грунтовых вод и подтоплению территории, обеспечению благоустройства и т. д. Особое внимание уделяется разработке мероприятий по охране флоры и фауны, борьбе с водной эрозией берегов и склонов, предупреждению заболачивания и засоления почв.

Непосредственное проектирование гидроузла как ответственного строительного объекта осуществляется в две стадии: 1) Проекта. На этой стадии по материалам инженерных изысканий и вариантных проработок уточняют место размещения, проектную мощность, стоимость строительства и другие технико-экономические показатели; 2) Рабочая документация.

Требования к условиям строительства и эксплуатации гидроузлов

Условия строительства Рациональная компоновка гидроузла должна обеспечивать: - компактное расположение бетонных сооружений во избежание большого числа их сопряжений с грунтовыми сооружениями; - концентрацию бетонного хозяйства; - надежный пропуск строительных расходов воды в течение всего периода строительства; - максимальное использование местных строительных материалов без нарушения окружающей природной среды; - возможность возведения гидроузла в кратчайшие сроки с минимальными затратами дефицитных строительных материалов и максимальным использованием совершенных методов возведения и совершенного оборудования; - доступность сооружений для подвоза строительных материалов и оборудования.

Требования эксплуатации При компоновке гидроузла стремятся к тому, чтобы он был компактным. В период эксплуатации все сооружения могли наилучшим образом выполнять свои функции и допускали возможность их ввода во временную эксплуатацию при неполном напоре. При пропуске через сооружение паводковых вод и льда - обеспечение благоприятного гидравлического режима в верхнем и нижнем бьефах. Обеспечение плавного подхода воды к водопропускным сооружениям посредством регулирования направления и значения скоростей течения, чтобы исключить как размыв берегов в зоне расположения сооружений, так и отложение наносов с их верховой стороны. Все сооружения гидроузла должны быть связаны автомобильными дорогами, доступными для выполнения ремонтных работ.

Технико-экономические условия Компоновка гидроузла - очень сложная инженерная задача и для каждого носит индивидуальный характер. Эта задача решается на основе данных техникоэкономического сравнения ряда возможных вариантов. Предпочтение отдается тому варианту, в котором каждое сооружение наилучшим образом выполняет свои функции в период эксплуатации и не вызывает затруднений в проведении строительных, монтажных и ремонтных работ, а гидроузел, в целом, требует наименьших затрат на строительство и эксплуатацию.

Другие факторы и условия, подлежащие учету при компоновке всех гидроузлов и особенно гидроузлов комплексного назначения -перспективное размещение потребителей энергии и воды для орошения и водоснабжения; - возможное развитие гидроузла в будущем – повышение напора, строительство судоходного шлюза или судоподъемника, строительство нового водозабора и т. п. ; - обеспечение надежной транспортной связи с внешними магистральными дорогами; - использование сооружений гидроузла в качестве мостового перехода для транзитного автомобильного и железнодорожного транспорта.

Использование энергии водотока Наиболее эффективное использование энергии водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на сравнительно коротком участке. При наличии естественного водопада решение этой задачи упрощается, однако подобные условия встречаются очень редко. Для использования падений рек, распределенных по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосредоточению перепада. Такое сосредоточение может быть осуществлено различными способами

Плотинная схема В верхней части рисунка показан способ создания напора, т. е. концентрации перепада в наиболее удобном для использования месте, предусматривает подпор уровня реки путем создания плотины. Образующееся при этом водохранилище используется в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически создавать запасы воды и более полно использовать энергию водотока.

Деривационная схема В нижней части рисунка показан способ создания сосредоточенного перепада путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу. Этот водовод имеет меньший продольный уклон, чем уклон русла. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается напор гидроэлектростанции. ГЭС, у которых напор частично создается с помощью плотины достаточно большой высоты и частично с помощью деривации, называют смешанными (смешанная схема энергоиспользования реки).

Выбор схемы энергетического использования водотока: плотинной, деривационной, смешанной - определяется падением реки, расходом воды, топографическими и инженерно-геологическими условиями, уровнями русла, поймы и долины. Это один из сложнейших вопросов гидроэнергетики и выполняется на основе технического и экономического сопоставлений ряда возможных вариантов.

Плотинные ГЭС более выгодны при малых уклонах рек и очень больших расходах воды. При малых уклонах получение необходимого напора с помощью деривации потребует значительной длины последней и она будет дороже плотины. Дороже плотин оказываются каналы больших сечений Расходы воды, используемые в плотинных ГЭС, в настоящее время достигают 14000 м 3/сек (Волжская им. В. И. Ленина на р. Волге). Напоры, используемые на плотинных ГЭС, колеблются в очень широких пределах. Минимальные значения используемого напора составляют 1, 5 - 3, 0 м. Например, на ГЭС Диксон (США) используемый напор равен 2, 45 м (ее мощность 2800 к. Вт, максимальный расход 140 м 3/сек ). Максимальный напор ГЭС плотинного типа около 280 м (Нурекская ГЭС).

Деривационные ГЭС выгоднее плотинных на горных реках с большими падениями (выше 6 - 8 м на 1 км длины реки). Расходы на деривационных ГЭС колеблются от нескольких м 3/сек до 1530 (ГЭС Донзер. Мондрагон на р. Роне во Франции). Самый большой расход 700 м 3/сек в России на Нарвской ГЭС. Напоры деривационных ГЭС колеблются от нескольких метров до 1767 м (ГЭС Райссек в Австрии).

БЕЗНАПОРНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ

К безнапорным гидроузлам относят бесплотинные поверхностные водозаборы. Для них характерен самотечный отбор воды из реки в канал при бытовых уровнях в реке. Местоположение и компоновка безнапорных гидроузлов, а также тип водозаборов определяются рядом факторов: условиями и величиной отбора воды из реки; топографическими, геологическими и гидрологическим условиями используемого участка реки; климатическими условиями района и др. Эти водозаборы устраивают, главным образом, для целей ирригации, обводнения, промышленного и питьевого водоснабжения.

По условиям отбора воды из реки в магистральный канал водозаборы делят на: - нерегулируемые - регулируемые. В нерегулируемых водозаборах забираемый расход определяется уровнями реки. В регулируемых водозаборах подачу воды в канал осуществляют обычно с помощью регулятора или насосной станции. Это позволяет подавать требуемый расход воды при любом уровне воды в реке.

Бесплотинный водозабор Такие водозаборы сооружают, если в реке обеспечены требуемые уровни воды. Это гарантирует подачу в канал расходов, соответствующих графику потребления. Когда требуемые уровни воды в реке (в данном ее створе) не обеспечены, но налицо большие уклоны реки. При этом водозаборе подъем уровня достигается с помощью устройства шпоры (1). В этом случае получаем особый фронтальный водозабор, называемый шпорным водозабором.

Условные обозначения: 1 –шпора; 2 - карман; l – длина кармана; А, Б – области кармана; 5 - промывной шлюз. Из рисунка видно, что шпора образует карман достаточной длины (l). Задаются сравнительно малые уклоны свободной поверхности потока, благодаря чему уровень воды в области А кармана оказывается выше уровня воды реки в области Б. Промывной шлюз служит для промыва наносов, отложившихся в кармане.

При малых уклонах реки длина шпоры получается большой и в этих случаях по экономическим соображениям отказываются от шпорного водозабора и устраивают обычно плотинный водозабор. У построенных водозаборов длина шпор иногда достигает нескольких километров. При помощи бесплотинного водозабора практически можно отвести от реки не более 30 % расхода реки.

НИЗКОНАПОРНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ До 10 м

Низконапорные гидроузлы строят на равнинных и горных реках. Они предназначаются для подъема уровня воды в целях обеспечения судоходства, лесосплава, отбора воды на ирригацию и водоснабжение, а также в энергетических целях, в том числе при сооружении деривационных гидроэлектростанций. Особенностью низконапорных гидроузлов является их расположение в большинстве случаев в пределах русла реки и пониженной части ее поймы В зависимости от характера реки и назначения гидроузлов в их состав кроме плотины могут входить судоходные шлюзы, водозаборные и лесосплавные сооружения, здания гидроэлектростанций и рыбопропускные устройства.

Здание гидроэлектростанция и транспортные сооружения располагают обычно на разных берегах. Цель такого размещения - исключение отрицательного влияния одного сооружения на другое. Расположение гидроэлектростанции и шлюза на одном берегу создает затруднения в эксплуатации этих сооружений, особенно, шлюза. Это требует более длинного направляющего сооружения для исключения влияния скорости потока на движение судов. При ширине реки, недостаточной для размещения всех сооружений гидроузла, часть их и, обычно гидроэлектростанцию, выносят на берег, - в специальную выемку.

Вследствие малой несущей способности грунтов в основании и их размываемости бетонные сооружения имеют распластанный профиль, перед ними делается понур, а за ними — бетонный водобой и рисберма.

Гидроузлы на равнинных реках на нескальных основаниях обычно характеризуются большими объемами земляных и бетонных работ. Значительная часть земляных работ выполняется способом гидромеханизации. В котловане бетонных сооружений таких гидроузлов обычно производят грунтовое водопонижение и устраивают противофильтрационные завесы из шпунта. Все это наряду с типом конструкции бетонных сооружений определяет организацию работ и соответствующее оснащение строительства строительными ме-ханизмами, а следовательно, и характер подсобной производственной базы строительства.

СРЕДНЕНАПОРНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ Напор от 10 до 50 м

Средненапорные гидроузлы строят либо на равнинных многоводных реках с широкой поймой, сложенных, как правило, нескальными породами, либо на горных и предгорных реках с неширокими поймами, протекающих в полускальных или скальных породах. Основное назначение этих гидроузлов энергетическое, но обычно они используются также для целей судоходства, ирригации, промышленного и питьевого водоснабжения. Почти на всех гидроузлах имеются судоходные сооружения. В состав сооружений гидроузла входят бетонная или железобетонная водосливная плотина, здание гидроэлектростанции, судоходные шлюзы, плотина из грунтовых материалов.

При строительстве гидроузлов среднего напора на равнинных реках применяют три основные схемы компоновки: русловую, пойменную, полупойменную. При применении русловой схемы компоновки водосливную плотину и здание гидро -электростанции располагают в русле реки, а пойменные участки створа перекрывают земляной плотиной.

При пойменной схеме водосливную плотину и здание гидроэлектростанция располагают в пойме, устраивая в ней подводящие и отводящие каналы, а русло и другие участки поймы перекрывают плотиной из грунтовых материалов. Полупойменная схема компоновки отличается меньшей врезкой бетонных сооружений в берег, так как часть ее располагают в русле. Взаимное размещение энергетических в транспортных сооружений в средненапорных гидроузлах, в принципе, такое же, как и в низконапорных. Следует отметить, что шлюз в средненапорных гидроузлах обычно располагают на пойме в большей удаленности от бетонных сооружений.

Особенности компоновки гидроузлов среднего напора, возводимых на скальных основаниях Компоновка гидроузлов среднего напора, возводимых на скальных основаниях на реках с узкими поймами мало отличается от компоновки высоконапорных гидроузлов. При пойменной компоновке котлован бетонных сооружений защищается невысокими перемычками, возводимыми насухо, а поток течет по нестесненному руслу. После возведения бетонных сооружений до отметок, позволяющих осуществить пропуск воды, разбирают «целики» , оставленные в верховом и низовом каналах, поток переключают на этот тракт, а основное русло реки перекрывают наброской каменного банкета и намывом земляной плотины.

При русловой компоновке бетонные сооружения (или их часть) возводят под защитой сооружаемых в русле реки перемычек 1 -й и 2 -й очередей. Перемычки 1 -ой очереди отгораживают буду -щий котлован и сужают русло. Река в это время пропускается по стесненному руслу. После возведения бетонных сооружений до отметок, позволяющих пропустить через них воду, перемычки 1 -й очереди разбирают, поток пропускают через бетонные сооружения 1 -й очереди.

Далее строят перемычки 2 -й очереди. Они отгораживают другую часть русла. Эти перемычки примыкают к раздельному продольному устою, возведенному в первую очередь. Если в котловане 1 -й очереди размещаются все бетонные сооружения, то перемычки 2 -й очереди не строят, а русло реки перекрывают наброской каменного банкета с последующей отсыпкой или намывом земляной плотины.

ВЫСОКОНАПОРНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ (напор 50 и более метров)

Высоконапорные гидроузлы по характеру использования сооружений и их компоновке могут быть двух типов: - на горных реках в глубоких относительно узких ущельях в условиях скальных оснований и берегов при сравнительно небольших максимальных расходах веды (до 4 -6 тыс. м 3/с); - - на предгорных и равнинных многоводных реках с максимальными расходами воды 10 -20 тыс. м 3/с и более в условиях скальных оснований.

В состав сооружений высоконапорных гидроузлов входят: - высокая плотина; - водосбросы, обеспечивающие пропуск строительных и эксплуатационных расходов воды; - здание гидроэлектростанции с водозабором и отводящими устройствами; - ирригационные и хозяйственно-питьевые водозаборы. Иногда в узлах второго типа устраивают судоподъемники и судоходные шлюзы, а также устройства для пропуска леса.

В узких створах горных рек возможны два основных решения компоновки, зависящие от типа плотины и водности реки: - при устройстве бетонной гравитационной или арочной плотины все водосбросные устройства в большинстве случаев размещает при возможности в теле плотины и лишь частично в берегах (открытые или тоннельные). Здание гидроэлектростанции располагают в теле плотины или непосредственно за плотиной и только в отдельных случаях под землей. Примером первого решения является Чиркейский гидроузел (1964 -1978) на р. Сулак, включающий арочную плотину высотой 235 м, приплотинное здание гидроэлектростанции, водоприемник в теле плотины и водосброс тоннельного типа.

При устройстве плотин из грунтовых материалов (реже, из бетона) на многоводной реке все водосбросные и водоподводящие сооружения (открытые и туннельные) размешают в берегах. Здание гидроэлектростанции выполняют чаще всего подземного типа или размещают на берегах реки в некотором удалении от плотины. Характерными примерами второго типа решения является Вилюйскнй гидроузел (1960 -1978) на р. Вилюй с каменнонабросной плотиной высотой 75 м, двумя зданиями гидроэлектростанции - приплотинного и полуподземного типов и береговым водосбросом. Водозаборы и водосбросное сооружение расположены только на берегах.

На выбор типа плотины в условиях узкого ущелья определяющее влияние оказывает водность реки. При больших расходах паводков целесообразна схема гидроузла с бетонной плотиной, при средних и малых расходах - с плотиной из грунтовых материалов.

В широких створах многоводных рек компоновка определяется в основном пропуском строительного и паводкового расходов воды. При этом основную часть русла занимают бетонная водосливная плотина в здание гидроэлектростанции, размещаемое в зависимости от напора гидроузла либо непосредственно по напорному фронту с выполнением роли водоподпорного сооружения, либо за глухой бетонной плотиной. Береговые участки напорного фронта застраивают обычно грунтовым и глухими бетонными плотинами, если это окажется целесообразным по технико-экономическим соображениям. Судоходные сооружения (шлюзы и судоподъемники) чаще всего располагают в скальных берегах.

Примерами компоновки гидроузлов в широких створах могут служить гидроузлы Братской ГЭС на р. Ангаре и Красноярской ГЭС на р. Енисее. Братский гидроузел на р. Ангаре возведен на прочном скальном основании. В его состав входят бетонная гравитационная плотина высотой 122 м, здание гидроэлектростанции приплотинного типа и земляная плотина, сопрягающая сооружение с берегами. • Все бетонные сооружения расположены в русловой части створа. Правобережная часть плотины выполнена водосливной, а левобережная в пределах расположения гидроэлектростанции - глухой.

КОМПОНОВКА ГЭС ПРИ ДЕРИВАЦИОННОЙ СХЕМЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Сооружения деривационных ГЭС (а также с плотинно-деривационной схемой концентрации напора) по местоположению и назначению разделяются на следующие основные узлы: - головной узел; - деривационные водоводы и сооружения на их трассе; - станционный узел.

Головной узел объединяет сооружения, предназначенные для создания подпора в реке и направления потока в деривацию очистки воды от сора и наносов, а иногда от льда и шуги: плотину, водосбросные устройства, водоприемник (водозабор), отстойник, промывные и ледосбросные устройства. Следует отметить, что такие сооружения, как отстойник, водосброс, шугосброс, могут размещаться, исходя из местных условий не только на головном узле, но и в различных местах трассы деривации.

Деривационные водоводы и сооружения на их трассе (собственно деривация) осуществляют подвод воды к станционному узлу сооружений. Деривационные водоводы могут быть напорными -туннели, трубопроводы или безнапорнымиканалы, туннели, лотки. На трассе безнапорной деривации устраивают ливнеспуски, акведуки, дюкеры. боковые водосбросы, пороги для защиты от наносов, защитные устройства от камнепадов, селей и другие сооружения. На трассе деривации обычно в конце ее, могут устраиваться бассейны суточного регулирования.

Станционный узел объединяет комплекс сооружений в конце деривационного тракта: напорный бассейн, аварийный водосброс, соро- и льдозащитные устройства - при безнапорной деривации, а при напорной уравнительный резервуар. Независимо от типа деривации к станционному узлу относятся турбинные водоводы, здание ГЭС (собственно станция), распределительное устройство, отводящий водовод (канал, туннель).