Содержание материала

ГЛАВА 29
НАПОРНЫЕ БАССЕЙНЫ ГЭС, ВЕРХНИЕ БАССЕЙНЫ ГАЭС

НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СООРУЖЕНИЯ НАПОРНЫХ БАССЕЙНОВ

Назначение напорных бассейнов. Напорные бассейны входят в состав станционных узлов деривационных гидроэлектростанций. Назначение напорных бассейнов состоит в сопряжении безнапорной части деривации с напорной ее частью или со станционными напорными водоводами. При этом должно быть обеспечено независимое включение и отключение любого из напорных водоводов в обычных эксплуатационных условиях и в аварийных случаях, а также равномерное распределение расхода между ними.
В напорных бассейнах предусматривается возможность сброса избытков поступающей воды при изменении мощности ГЭС и в аварийных случаях, а также подачи расходов воды, необходимых для нижележащих водопользователей, при остановке гидроэлектростанции. Кроме того, в напорных бассейнах должна быть предусмотрена защита водоводов от проникновения в них сора, льда, наносов и т. д.
Состав сооружений напорных бассейнов. В состав напорного бассейна входят следующие основные сооружения и элементы (рис. 29.1): водоприемные устройства; аванкамера, осуществляющая плавный подвод воды к приемным устройствам; головные устройства водосбросных сооружений (сифонов, водосливов и т. д.); ледосбросные и шугосбросные устройства (если из напорного бассейна предусматривается сброс льда и шуги); промывные устройства для удаления наносов; донные водоспуски для опорожнения напорного бассейна и деривационного водовода (промывные устройства и донные водоспуски могут быть объединены); соединительные сооружения между напорным бассейном и бассейном суточного регулирования, если оба бассейна расположены рядом. Если из напорного бассейна осуществляется забор воды для орошения или водоснабжения, в нем устраиваются соответствующие водозаборные сооружения.


Рис. 29.1. Состав сооружений напорного бассейна:
1 — станционные водоводы D=2,4 м; 2 — водоприемные устройства; 3 — аванкамера; 4 — сифонный водосброс; 5 — водослив; 6 — быстроток, отводящая часть водосброса; 7 — ледосброс; 8 — шугосброс; 9 — шугосбросный отводящий лоток; 10 — промывные устройства; 11 — донные водоспуски; 12 — напорная стейка; 13 — соединительное сооружение; 14 — труба для опорожнения бассейна суточного регулирования

ВОДОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА И АВАНКАМЕРЫ НАПОРНЫХ БАССЕЙНОВ

Водоприемные устройства в значительной степени определяют размеры напорного бассейна и являются самой дорогостоящей его частью. Возможные конструкции водоприемных устройств приведены на рис. 29.2 и 29.3. К забральным стенкам, решеткам, пазовым конструкциям и другим конструктивным элементам водоприемных устройств предъявляется требование обеспечения минимальных потерь напора проходящего потока. Определение потерь и конструктивное оформление этих элементов могут быть выполнены в соответствии с рекомендациями, приведенными в гл. 26. Водоприемные устройства напорных бассейнов, так же как и водоприемники ГЭС, оборудуются основными и ремонтными затворами, решетками, подъемно-транспортными и решеткоочистными механизмами, воздушными противовакуумными и обводными трубами.
Аварийно-ремонтные затворы выполняются, как правило, плоскими и снабжаются индивидуальными подъемными механизмами с дистанционным и местным автоматическим управлением. Если напорные трубопроводы уложены открыто (рис. 29.2, 29.3,а), то аварийно-ремонтные затворы должны быть быстродействующими. В качестве ремонтного заграждения чаще всего применяют многосекционные плоские затворы.
Сороудерживающие решетки. Поступающая в напорный бассейн вода обычно не содержит крупных плавающих тел и сора, поэтому сороудерживающие решетки напорных бассейнов (в отличие от водоприемников ГЭС) устанавливаются, как правило, между ремонтными и аварийно-ремонтными затворами под углом 10 — 30° к вертикали. Наклонное расположение решеток позволяет эффективно использовать для их очистки решетко-очистные машины, оборудованные граблями.
В суровых климатических условиях над водоприемными устройствами предусматривается закрытое служебное помещение (рис. 29.3).
Отметка порога водоприемных устройств определяется диаметром напорных водоводов и необходимым заглублением их под наинизший уровень воды в напорном бассейне при установившемся либо неустановившемся режиме работы ГЭС.
При установившемся режиме минимальный уровень воды в напорном бассейне обычно соответствует условиям транзита шуги по деривационному водоводу и пропуска ее через турбины. Если колебания уровня воды в бассейне суточного регулирования значительны и не передаются в деривацию, то минимальный уровень в напорном бассейне равен отметке сработки бассейна суточного регулирования. Минимальный уровень воды при неустановившемся режиме определяется волной понижения уровня в напорном бассейне при увеличении расхода и нагрузки ГЭС (см. § 28.7).
Отметка верха ограждающих стенок и водоприемных устройств назначается с запасом 0,3 — 1,0 м над наивысшим уровнем воды, возможным при установившихся и неустановившихся режимах работы ГЭС. При саморегулирующемся деривационном безнапорном водоводе наивысший уровень воды в напорном бассейне определяется неустановившимся режимом, вызванным сбросом полной нагрузки ГЭС (см. § 28.7).
При несаморегулирующемся водоводе наивысший уровень воды в бассейне соответствует уровню, при котором весь расход деривации проходит через водосбросные сооружения напорного бассейна (турбины закрыты).
Аванкамера. Ширина и глубина аванкамеры в начальном сечении определяются размерами поперечного сечения безнапорной деривации, затем они постепенно увеличиваются по направлению течения и в концевом сечении соответствуют размерам водоприемных устройств.

Рис. 29. 2. (1)


Рис. 29.2. Водоприемное устройство напорного бассейна:
1 — аванкамера; 2 — ремонтное заграждение; 3 — клапанные затвор; 4 — шугосбросный лоток; 5 — промывочные отверстия и галереи; 6 — сороудерживающая решетка; 7 — промежуточный бычок; 8 — аварийно-ремонтный затвор; 9 — напорные трубопроводы; 10 — аэрационная шахта; 11 и 12 — дренажные трубы в колодцы; 13 — трансформаторное помещение; 14 — лебедка; 15 — решеткоочистная машина: 16 — быстроток


Рис. 29.3. Водоприемные устройства со служебными помещениями:
в —с горизонтальным начальным участком напорных трубопроводов: б —с вертикальным выходом туннельных напорных водоводов; 1 — аванкамера; 2 — ремонтное заграждение; 3 — обводная труба; 4 — сороудерживающая решетка; 6 — аварийно-ремонтный затвор; б — напорный водовод; 7 — датчик скорости воды; 8 — аэрационная труба; 9 — поплавковое устройство для контроля уровня воды; 10 — лебедки; 11 — монорельсовые подъемники; 12 — шугосбросный лоток; 13 — промывные отверстия в галереи; 14 — приемник поплавкового устройства; 15 — забральная стенка

Рис. 29.4. Схемы сопряжения аванкамеры с деривационным каналом и напорной стенкой бассейна:
1 — канал; 2 — аванкамера; 8 — напорные водоводы; 4 — ледосброс (шугосброс); 5 — водослив; 6 — направляющая стенка; 7 — запань; 8 — направляющие бычки; 9 — приемный лоток (колодец) быстротока; 10 — быстроток

Для уменьшения потерь напора и равномерного распределения расхода воды между напорными водоводами изменение площадей поперечных сечений и форма аванкамеры должны быть плавными — угол расширения не более 10 — 12°. При расширении аванкамеры в плане и вертикальной плоскости под углом свыше 10 — 12° большая часть кинетической энергии потока, имевшейся на входе в аванкамеру, теряется. Вместе с тем если длина и высота напорной стенки значительно превышают ширину и глубину потока в деривации, то при соблюдении рекомендуемых значений этого угла длина аванкамеры и стоимость напорного бассейна получаются весьма большими. Сокращение длины аванкамеры в этих случаях может быть получено путем установки в ней распределительных бычков или тонких стенок.
Аванкамеры могут располагаться в выемке, в полунасыпи-полувыемке, а также могут быть образованы ограждающими дамбами или напорными стенками.
Форма аванкамеры в плане и ее сопряжение с каналом и напорной стенкой определяются топографическими и геологическими условиями. Некоторые характерные схемы аванкамер приведены на рис. 29.4.

СБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НАПОРНЫХ БАССЕЙНОВ

Водосбросные сооружения напорных бассейнов предназначены для сброса воды во время регулирования мощности и при аварийных отключениях нагрузки ГЭС. Они должны включаться автоматически и быть быстродействующими. Водосбросные сооружения обязательно следует предусматривать при несаморегулирующихся деривационных каналах. В схемах ГЭС с саморегулирующимися каналами водосбросы устраивают, если необходимо обеспечить непрерывную подачу в нижний бьеф относительно больших расходов воды для удовлетворения потребностей других водопользователей. Расчетный расход водосброса принимают обычно равным максимальному расходу деривации.
Водосбросы состоят из головной и отводящей частей. Головная часть располагается в пределах напорного бассейна и служит для забора воды из него, а отводящая часть отводит сбрасываемую воду в нижний бьеф. Головная часть автоматического водосброса может быть выполнена в виде водослива без затворов на гребне, сифонов и отверстий с автоматическими затворами.
Водосливы наиболее просты по устройству и безотказны в эксплуатации. Их недостатком является малая удельная пропускная способность (на 1 м длины водосливного фронта), в связи с чем они имеют значительную длину. Для уменьшения длины водослива принимается сравнительно большая высота переливающегося слоя (A=0,5-:-0,75 м), что приводит к увеличению высоты подпорных сооружений напорного бассейна и повышению берм деривационного канала.
Водослив может быть выполнен в виде стенки, однолотковым подковообразным и многолотковым. Применение многолоткового водослива (рис. 29.5,6) позволяет существенно сократить высоту переливающегося слоя воды.
Сифонные водосбросы (рис. 29.5,б) позволяют ограничить колебания уровня воды в бассейне, так как их удельный расход в 4 — 5 раз больше, чем водослива. Они выполняются обычно в виде батареи сифонных труб (не менее двух); количество труб зависит от сбрасываемого расхода и размеров сифона.


Рис. 29.5. Водосбросы напорных бассейнов:
а — однолотковый подковообразный водослив; б — многолотковый водослив; в — сифонный водосброс; 1 — аванкамера; 2 — соединительный канал между напорным бассейном и бассейном суточного регулирования; 3 — приемный лоток быстротока; 4 — напорная стенка; 5 — подковообразный водослив; 6 — водоприемные устройства; 7 — многолотковый водослив; 8 — быстроток; 9 — регулятор расхода воды

Регуляторы сифонных водосбросов, которые автоматически и постепенно увеличивают пропускную способность каждой трубы сифона по мере подъема уровня воды в напорном бассейне, а также ступенчатое размещение порогов отдельных сифонных труб .позволяют полностью исключить возникновение волн в бассейне при работе водосброса.
Водосбросы с затворами (см. рис. 29.2) являются дорогостоящими сооружениями, но они имеют небольшую ширину, удобно компонуются в напорном бассейне, позволяют обеспечить незначительные колебания уровня воды в нем, а также быструю подачу необходимого расхода в нижний бьеф.
Водосбросы с поверхностными затворами могут использоваться также для сброса шуги и льда, а с глубинными — для промывки напорных бассейнов от наносов.
Выбор типа головной части водосброса производится на основании технико-экономических расчетов. Наиболее целесообразно применение смешанной системы водосбросных сооружений (например, водослива и водосброса с автоматическими затворами и т. п.).
Отводящая часть водосбросов выполняется в виде открытого быстротока, заканчивающегося водобойным колодцем или консольным сбросом. При сравнительно небольших расходах могут применяться также перепады и безнапорные железобетонные трубы.
Сброс льда и шуги. В напорных бассейнах деривационных ГЭС с безнапорной деривацией в районах, где возможно образование ледяного покрова и шуги, предусматривают специальные ледосбросы и шугосбросы. Ледосбросы устраивают в виде нешироких (2 — 7 м) водосливных пролетов (рис. 29.1), перекрываемых плоскими или клапанными затворами, 'позволяющими регулировать толщину переливающегося слоя воды. Высотное положение гребня ледосброса определяется толщиной льда и наинизшей отметкой уровня воды в напорном бассейне, при которой возможен сброс льда. Минимальное заглубление гребня ледосброса под этот уровень рекомендуется принимать около 1,7 толщины льда.
Для защиты конструкции от ударов льда в приемной траншее ледосброса необходимо предусматривать водяную подушку. Ледосброс может использоваться также для сброса сора и шуги из напорного бассейна.
Шугосбросы (в виде водосливных пролетов, перекрываемых затворами) располагаются, так же как и ледосбросы, рядом с водо- приемными камерами в одну линию с ними или в боковой стенке аванкамеры. Для направления к ним шуги устраиваются плавучие
направляющие запани (см. рис. 26.11, 29.4).
Лотковые шугосбросы устанавливаются поперек потока, перехватывают весь поверхностный слой шуговодяной массы и отводят его в отводящую часть водосбросных сооружений. С целью уменьшения сбрасываемого с шугой расхода воды толщина переливающегося слоя регулируется плоскими или клапанными затворами (рис. 29.2).
Шугосбросные лотки могут располагаться при входе в аванкамеру (рис. 29.1), в аванкамере в некотором удалении от водоприемных устройств и в водоприемных устройствах (рис. 29.2, 29.3). Выбор места расположения шугосбросного лотка производится на основании технико-экономического сравнения вариантов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТОВ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ НАПОРНЫХ БАССЕЙНОВ ГЭС И ВЕРХНИХ БАССЕЙНОВ ГАЭС

Расположение напорных и верхних бассейнов на относительно крутых склонах или вблизи них обусловливает наличие коротких путей фильтрации в его основании и в обход напорной стенки, а также опасность выхода фильтрационных потоков на склон (рис. 29.6, схемы 1 и II). При соответствующих геологических условиях могут произойти суффозия грунтов, образование оползней, неравномерные осадки сооружений бассейна И даже их разрушение.
В связи с этим при расчетах устойчивости сооружений напорных и верхних бассейнов на нескальных основаниях необходимо проведение фильтрационных расчетов, устанавливающих фильтрационный расход, положение пьезометрического уровня грунтового потока, распределение напоров и скоростей в толще основания и по подземному контуру сооружений, а также характер воздействия фильтрационного потока на грунты основания. При скальном основании фильтрационные расчеты ограничивают определением давления на подземный контур сооружений бассейна.
Расчеты общей устойчивости сооружений напорных н верхних бассейнов включают расчеты: на скольжение сооружения по поверхности основания; на сдвиг сооружения вместе с несущим нескальным грунтовым массивом (по пунктирной линии на рис. 29.6, схема I); на опрокидывание; а также расчеты осадок сооружений н напряжений в их основании.
При разнородных нескальных грунтах основания (рис. 29.6, схема III) устойчивость сооружений на сдвиг вместе с частью основания проверяют по различным поверхностям сопряжения разнородных грунтов (см. гл. 24).
Производят также статические расчеты прочности элементов сооружения напорного и верхних бассейнов.
Расчеты устойчивости и прочности сооружений производят для основного и для особого сочетаний как постоянных, так и кратковременно действующих нагрузок.
Противофильтрационные мероприятия и дренажные устройства. При строительстве напорных и верхних бассейнов применяют различные противофильтрационные мероприятия: облицовки внутренних поверхностей ограждающих сооружений, искусственное укрепление грунтов основания, устройство глубокого зуба, шпунтовых стенок и цементационных завес, ограждений и др.


Рис. 29.6. Схемы к расчету напорных бассейнов ГЭС:
1 — напорная стенка бассейна; 2 — боковая подпорная стенка; 3 — ограждающая дамба; 4 — фильтрационный поток; 5 разнородные грунты основания ограждающей дамбы

Облицовки дна и откосов ограждающих дамб устраивают, как правило, во всех случаях; применение других противофильтрационных устройств и выбор их типа определяются технико-экономическими расчетами. Конструкция облицовки аванкамеры напорного бассейна и ее расчет аналогичны конструкции и расчету облицовок каналов (см. гл. 28).
Для увеличения пути фильтрации в обход сооружения могут устраиваться специальные боковые шпоры и стенки. С этой же целью выполняется фундаментная плита с глубоким верховым зубом, доходящим до водоупора (см. рис. 29.2), или устраивается шпунтовая стенка. В скальном трещиноватом основании выполняются цементационные завесы.
Противофильтрационные мероприятия в напорном и верхнем бассейнах и деривационном канале уменьшают, но не исключают полностью фильтрацию воды в них. Поэтому необходим организованный сбор и отвод профильтровавшейся, а также грунтовой воды с помощью дренажных устройств. Конструкция дренажного устройства под облицовкой аванкамеры напорного бассейна аналогична дренажной конструкции под облицовкой канала. Для перехвата воды, профильтровавшейся через горизонтальные и вертикальные швы водоприемных устройств напорного и верхнего бассейнов, в верховом л низовом зубьях устраивают дренажные галереи, соединяющиеся между собой дренажными трубами (рис. 26.9,а). Из дренажной галереи, расположенной в низовом зубе, фильтрационная вода отводится на сброс.