Протяженность деривационных туннелей может быть весьма значительной. В СССР самый длинный напорный туннель имеет Храмская ГЭС-2 (12841 м), а безнапорный — Эзминская ГЭС (7780 м). Наибольшие размеры в свету имеет безнапорный отводящий туннель Верхнетуломской ГЭС: ширина 15, высота 19 м и отводящий туннель овоидального сечения Нивской ГЭС-3: ширина 9, высота 12 м. Наибольшие диаметры в свету круглых туннелей имеют Верхнетуломская ГЭС (6,2 м) и Ладжанурская ГЭС (5,5 м). Средняя скорость движения воды в туннелях — от 1,8 до 6,5 м/с.
Формы поперечного сечения туннелей. Форма поперечного сечения деривационного туннеля выбирается в зависимости от гидравлического режима его работы, инженерно-геологических условий по трассе, статической работы насущей обделки туннеля, способа проходки и применяемого проходческого оборудования [51, 61].
Напорные туннели, как правило, бывают кругового очертания (рис. 28.6,а), поскольку эта форма поперечного сечения позволяет успешно применять механизированный способ проходки и бетонирования туннелей, требует минимального объема выломки породы и бетонной кладки. Туннели кругового очертания характеризуются также наилучшими гидравлическими показателями. В отношении статических условий работы они имеют преимущества, так как внутреннее давление воды хорошо воспринимается несущей обделкой в виде кольца.
Рис. 28.6. Формы поперечных сечений деривационных туннелей
Однако практика эксплуатации напорных гидротехнических туннелей показывает, что когда на обделку одновременно действуют напор и горное давление, могут быть целесообразными туннели овального очертания с горизонтальными прямолинейными вставками, как это сделано, в частности, на Храмской ГЭС-1 (рис. 28.6,б).
Безнапорные деривационные туннели могут иметь различные формы -поперечного сечения, в том числе и -круговую. При проходке туннеля в плотных, крепких скальных породах без каких-либо признаков горного давления (коэффициент крепости 8) рекомендуется применять прямоугольное сечение с горизонтальным лотком, вертикальными стенками и пологим сводчатым перекрытием кругового или параболического очертания (рис. 28.6,в). В породах с небольшим вертикальным горным давлением (8>fкр>4) и при отсутствии бокового давления грунта на обделку применяют сечения корытообразного очертания с полуциркульным сводом (рис. 28.6,а). При наличии пучения породы со стороны основания лотку облицовки корытообразного очертания придают слегка выпуклую в направлении породы форму. Овоидальное или подъемистое сечение безнапорных туннелей (рис. 28.6,д) применяют в тех случаях, когда имеют место большое вертикальное (4-fкр-2) и небольшое боковое давления грунта на облицовку. Если в туннелях наблюдается интенсивное вертикальное горное давление (fкр<2), а также активное давление грунта с боков и со стороны основания, применяют подковообразное или так называемое коробовое сечение (рис. 28.6,0). Последние две формы сечения (рис. 28.6Д0) в гидроэнергетической практике используются редко.
Отношение высоты туннеля h и его ширины b обычно равно 1,0 — 1,5. Более высокие профили применяются в тех случаях, когда по условиям эксплуатации в безнапорном туннеле ожидаются значительные колебания уровня воды.
Размеры сечения -и уклоны дна безнапорных подводящих и отводящих деривационных туннелей должны обеспечивать безнапорный режим течения при всех режимах работы гидроэлектростанции, включая максимальные сбросы и набросы нагрузки.
При проектировании длинных напорных подводящих туннелей размеры поперечного сечения и их высотное положение назначаются таким образом, чтобы при различных расчетных условиях, включая неустановившиеся режимы, на всем протяжении туннеля под шелыгой свода оставался запас давления не менее 0,02 МПа.
Минимальные размеры поперечного сечения деривационных туннелей должны удовлетворять правилам безопасного ведения работ. В зависимости от формы поперечного сечения и типа обделки наименьшая высота туннеля составляет 2,1 — 2,7 м и наименьшая ширина 1,9 — 2,7 м. На начальных стадиях проектирования диаметр (или пролет) туннеля допускается принимать от 2 до 6 м—через 0,5 м длины, свыше 6 м — через 1 м длины.
При больших расчетных расходах воды (250 м3/с и более), высоком внутреннем давлении и неблагоприятных инженерно-геологических условиях возможно выполнение деривации в виде двух и более параллельно расположенных туннелей. Несмотря на то что в большинстве случаев сооружение одного туннеля большого пролета (10 — 15 м) вместо эквивалентных ему по площади нескольких туннелей меньших размеров оказывается более выгодным, такое решение может оказаться целесообразным, так как позволяет разделить строительство деривации на две- три очереди и ускорить ввод в эксплуатацию первых гидроагрегатов.
Обделки туннелей. В большинстве случаев деривационные туннели имеют обделку, необходимость устройства и назначение которой определяются характером окружающей породы. В прочных и устойчивых породах устраиваются так называемые выравнивающие обделки, уменьшающие шероховатость внутренней поверхности туннеля, а при наличии трещин в прочных породах обеспечивающие водонепроницаемость. Для восприятия нагрузок, а также для удовлетворения требований, предъявляемых к выравнивающим обделкам, устраиваются так называемые несущие обделки. Различные типы обделок напорных туннелей даны на рис. 28.7.
Цементация породы при сооружении туннелей. Независимо от инженерно-геологических условий, в которых сооружается деривационный туннель, во всех случаях (за исключением выполнения обделки из набрызг-бетона или торкрета) для обеспечения упругого взаимодействия между обделкой и породой, уменьшения деформации породы, равномерного распределения горного давления на обделку и защиты ее от грунтовых вод производится нагнетание цементного раствора за обделку. В результате цементации трещины скалы заполняются раствором и образуется зона замоноличенной породы, плотно прилегающей к обделке, что способствует их совместной работе и облегчает напряженное состояние облицовки.
Рис. 28.7. Типы несущих обделок напорных деривационных туннелей:
1 — монолитная бетонная; II — монолитная железобетонная; 111 — двухслойная монолитная; 1V —сборная железобетонная; VI — комбинированные; 1 — скважины для укрепительной цементации; 2 — трубы для заполнительной цементации; 3 — круговая арматура; 4 — распределительная арматура; 5 — монолитный бетон; 6 — торкрет; 7 — засыпка гравием; 8 — дренажная труба; 9 — цементный раствор; 10 — бетонные блоки; 11 — штампованные стальные плоты с фланцами; 12 — обжимная спираль
В гидротехнических туннелях различают заполнительную и укрепительную цементацию. При заполнительной цементации цементационный раствор заполняет и уплотняет зазоры и пустоты, образовавшиеся при бетонировании между обделкой туннеля и поверхностью выработки. Укрепительная цементация предназначена для придания горным породам, залегающим вокруг туннеля, монолитности и водонепроницаемости.
Защита деривационных туннелей от воздействия грунтовых вод. При значительном давлении грунтовых вод на обделку туннелей устраивают дренаж. Дренаж выполняется в виде одной- двух продольных дрен под туннелем (рис. схемы III и V), а также поперечных дрен. Продольные дрены состоят из труб (керамических или из пористого бетона), а поперечный дренаж—из слоев гравия и щебня под наружной поверхностью облицовки.
Статические расчеты обделок деривационных туннелей. Статический расчет туннельных обделок производится с целью проверки прочности обделки и допустимости давления, передаваемого от нее на породу. В достаточно плотных породах при отсутствии зазоров между обделками и поверхностью выработки деформации обделки в сторону породы под действием внутреннего давления вызывают реактивные силы отпора со стороны породы.
Чем крепче порода и чем плотнее примыкает к ней обделка, тем большее сопротивление оказывает порода деформациям обделки, облегчая тем самым статическую работу последней.
Правильная оценка условий совместной работы обделки с окружающей ее породой необходима для создания экономичных и долговечных конструкций подземных водоводов.
Нагрузки, действующие на обделки деривационных туннелей, разделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые). К постоянным нагрузкам относятся горное давление, собственный вес обделки и воздействие предварительного напряжения. К временным длительным нагрузкам относятся внутреннее давление воды в туннеле при нормальном подпорном уровне в водохранилище и давление подземных вод. К кратковременным нагрузкам и воздействиям относятся:давление пульсации потока воды, внутреннее давление воды в туннеле от гидравлического удара, температурные воздействия, давление цементационного раствора на обделку и давление от механизмов при производстве строительных работ. К особым нагрузкам и воздействиям относятся: сейсмические и взрывные воздействия; внутреннее давление воды в туннеле при форсированном подпорном уровне или от действия гидравлического удара при полном сбросе нагрузки; усилия, возникающие вследствие изменения температуры, набухания и усадки бетона, ползучести грунтов; давление раствора на стальную оболочку при цементации; давление на стальную оболочку от свежеуложенного бетона и давление гидравлического испытания.
Рис. 28.8. Сечения напорного деривационного туннеля Шамбской ГЭС:
1 — монолитный бетон; 2 — железоторкрет; d=6 см; 3 — бетонный свод; 4 — металлическая оболочка, d=16 м, 5 — труба для зanoлнитeльнoй цементации
Нагрузки и воздействия принимаются для наиболее неблагоприятных, но возможных условий в следующих сочетаниях:
основные, составляемые из постоянных,
временных (длительных я кратковременных) нагрузок и воздействий;
особые, составляемые из постоянных, временных (длительных, некоторых кратковременных) и одной из особых нагрузок, воздействий.
Расчетная схема обделки устанавливается в зависимости от ее конструкции, структуры и прочности окружающих пород, характеризуемых, в частности, коэффициентом крепости fкр и коэффициентом удельного упругого отпора, с учетом реальных условий работы обделки и методов производства работ по ее сооружению. Основные рекомендуемые методы расчета обделок туннелей рассматриваются в [51, 61].
В соответствии с требованиями СНиП 2.06.09 — 84 «Туннели гидротехнические» толщина обделки напорных и безнапорных туннелей, устанавливаемая расчетом или назначаемая конструктивно, не должна быть меньше следующих значений, см:
монолитных бетонных и железобетонных обделок... 20
внутренней монолитной железобетонной оболочки комбинированных обделок ... 10
сборных железобетонных обделок . 10
обделок из набрызг-бетона:
несущих ... 10
выравнивающих .... 5
обделок из железоторкрета 5
Условия изменения типа обделки по трассе туннеля. При проектировании я строительстве гидротехнических туннелей предпочтение обычно отдается варианту, при котором тип обделки не изменяется по длине туннеля. Это позволяет унифицировать конструктивные элементы обделки, значительно облегчает процесс строительства туннеля и снижает его стоимость. Однако такое решение далеко не всегда является возможным. Наличие оползневых и тектонических нарушений по трассе деривации, значительное изменение внутреннего давления по длине туннеля, а также особенности производства строительных работ иногда заставляют применять на разных участках туннеля обделки различных типов. Так, применение двух типов обделки напорного деривационного туннеля Шамбской ГЭС на р. Воротан было обусловлено различием геологических условий но трассе туннеля (рис. 28.8). Конструкция обделки (рис. 28.8,а) состоит из выравнивающего слоя монолитного бетона и внутреннего железоторкретного кольца толщиной 6 см. Такая обделка запроектирована при расчетном напоре до 70 м для прочных, устойчивых, не оказывающих горного давления пород, характеризуемых fкр>6 и коэффициентом удельного упругого отпора 3000 МН/м3.
Рис. 28.9. Изменение типа обделки напорного деривационного туннеля с увеличением расчетного давления
Для пород, характеризуемых fкр= 1 — 2 и k0=500-М000 МН/м3, запроектирована обделка, состоящая из наружного бетонного свода (рис. 28.8,б), предназначенного для восприятия горного давления в строительный период, и внутренней металлической оболочки. Пространство между ними заполнено бетоном. Порода над сводом укреплена цементацией.
Рис. 28.10. Напорный деривационный туннель Ингурской ГЭС:
а — при проходке породоуборочной машины ПНБ-3К; б — при проходке экскаватором ЭП-Г, 1 — первичный железобетонный свод; 2 — металлическая рубашка, δ=18 мм; 3 — монолитный бетон; 4 — заполнение бетоном; 5 — металлические трубы для инъекции цементного раствора, d=70 мм
Последовательное усиление обделки деривационного туннеля, вызванное увеличением расчетного давления, можно проследить на рис. 28.9: на начальном участке туннель имеет торкретированную бетонную монолитную облицовку, в средней части применена монолитная двухслойная обделка с внутренним железоторкретным кольцом толщиной 12 см, а в конце туннеля внутреннее кольцо выполнено в виде стальной оболочки δ=12 мм.
На рис. 28.10 показаны конструкции обделок туннеля при различных проходческих машинах.
Выбор трассы туннелей. При выборе трассы деривационного туннеля следует стремиться к наиболее короткому ее варианту, в простейшем случае — к соединению сооружений головного и станционного узлов по прямой. Однако по инженерно-геологическим и топографическим условиям, а также по условиям организации строительных работ часто приходится отступать от этого требования. В общем случае трасса деривационного туннеля представляет собой ломаную линию, отдельные прямолинейные участки которой соединяются плавными кривыми. Радиусы закруглений обычно принимаются не менее пятикратной ширины туннеля, а углы поворота — не более 60°.
Оборудование туннелей. Деривационные туннели должны иметь устройства, обеспечивающие возможность прекращения доступа воды в туннель при опорожнении его для периодического осмотра и ремонта в соответствии с принятой схемой эксплуатации сооружений станции. Кроме того, в безнапорных туннелях большой длины, в которых возможно возникновение значительного волнового движения, необходимо предусматривать вентиляционные трубы для впуска воздуха в туннель и выпуска из него. Такие же трубы для создания нормальных условий наполнения и опорожнения должны быть предусмотрены в напорных туннелях.
