Гидроэнергетика СССР - Подземные ГЭС - здания

В настоящее время интенсивно развивается строительство гидроэлектростанций с подземным расположением зданий ГЭС. В различных странах построено и эксплуатируется более 300 подземных ГЭС. запроектировано и строится более 150 (строительство ГЭС—ГАЭС см. в гл. 12). В отдельных странах удельный вес подземных ГЭС весьма значителен. Например, в Италии выработка электроэнергии составляет более 30%, в Норвегии — более 40%, а в Швеции —около 50% общей выработки гидроэлектростанций в этих странах. Современный период подземного гидроэнергостроительства характеризуется значительным увеличением числа ГЭС мощностью более 1 млн. кВт. В большинстве случаев выбор подземной ГЭС мотивируется технико-экономическими соображениями, так как сооружение наземных зданий ГЭС в ряде горных районов зачастую требует производства больших объемов земельно-скальных работ, а при глубоких выемках может иногда вызвать нарушение устойчивости береговых склонов. Вместе с тем применение комплексной механизации туннельных работ в ряде стран (например. в Швеции) позволило снизить стоимость подземных скальных работ и приблизить ее к стоимости производства открытых скальных выемок. Данные о наиболее крупных по мощности, напору и расходу воды зарубежных подземных ГЭС приведены в табл. 11.2.
В СССР построен ряд подземных гидроэлектростанций: Ладжанурская, Храмская II, Севанская, Арзнинская, Ингурская, Нивская III, Верхнетуломокая, Борисоглебская, Усть-Хантайская, Вилюйская (полуподземная), строятся Жинвальская и Рогунская ГЭС (табл. 11.3).

Таблица 11.2 Крупные зарубежные подземные ГЭС

Напорно-станционный узел Ингурской ГЭС состоит из уравнительной шахты диаметром 16 м, пяти ниток подземных напорных трубопроводов, подземного здания ГЭС длиной 145,5 и высотой выломки 53,7 м (рис. 11.21), в котором установлены пять агрегатов с расчетным напором 325 м, и отводящего безнапорного туннеля. В проекте Рогунского гидроузла рассмотрены варианты компоновки напорно-станционного узла с открытым и подземным зданием ГЭС и выбран вариант подземной левобережной ГЭС, который характеризуется наименьшей длиной туннелей (включая наклонные турбинные водоводы), расположением подводящих воду коротких туннелей и здания ГЭС в едином тектоническом блоке и возможностью использования строительных туннелей в качестве отводящих водоводов от ГЭС. Трансформаторы намечено разместить в подземном помещении.

Таблица 11.3 Подземные ГЭС в СССР

Рис. 11.21. Разрез по оси агрегата Ингурской ГЭС.
1 — подземное здание ГЭС; 2 — пазы затворов; 3 — помещение дисковых затворов.

Подземное здание Усть-Хантайской ГЭС размещено в скальном массиве правого берега. Железобетонный напорный водоприемник с водозаборными отверстиями, оборудованными решетками и затворами, соединяется со спиральными камерами турбин туннельными водоводами. Длина туннельной выломки под машинный зал 140 м, ширина 20 и высота 52,5 м.
Предусмотрена подача оборудования в машинный зал автотранспортом по транспортному туннелю, подведенному к монтажной площадке. В целях уменьшения объема бетонной подводной части и по условиям производства работ здание Вилюйской ГЭС выполнено в траншейной 60-метровой выемке в долеритах и диабазах (рис. 11.22). Здание ГЭС располагается под поверхностью земли с внутренней установкой мостового крана. Подвод воды к турбинам осуществляется глубинными водоприемниками и наклонными туннельными водоводами, имеющими железобетонную облицовку толщиной 60 см на верхнем участке и металлическую с забетонированным затрубным пространством на низовом участке. Опыт строительства Усть-Хантайской и Вилюйской ГЭС показал, что в специфических условиях Крайнего Севера можно при строительстве напорно-станционных узлов круглогодично поддерживать в подземных сооружениях положительные температуры и бесперебойно выполнять проходческие, бетонные и монтажные работы.

Рис. 11.22. Полуподземная Вилюйская ГЭС.

Разработан проект Дарьяльского гидроузла с подземной ГЭС. В состав напорно-станционного узла входят турбинный водовод с динамическим напором 730 м, развилка в виде металлической облицовки толщиной 50 мм и железобетонного кольца и подземное здание ГЭС с расположением электрических устройств в здании.
Подземные гидроэлектростанции при соответствующих инженерногеологических и топографических условиях имеют ряд преимуществ перед наземными станциями и могут располагаться почти в любой точке деривации с безнапорным или напорным отводящим подземным трактом. В прочных скальных породах расход металла в шахтных трубопроводах может быть сокращен за счет передачи части нагрузок от внутреннего давления воды на окружающую скалу. Конструктивные элементы машинного зала (колонны, подкрановые балки, стены, фундаменты) при прочных и сухих породах значительно облегчаются, так как имеется возможность вовлечь в статическую работу сооружений несущую способность скального массива; в частности, крепления горных выработок значительных пролетов в ряде случаев можно ограничить несущим сводом, сводя облицовку стен только к выравнивающему слою. В некоторых случаях имеется возможность заглубить агрегаты и выполнить отводящий тракт напорным.
В глубоких узких ущельях при наземном расположении машинного здания приходится подрезать крупные скальные склоны для защиты от обвалов и камнепадов; эти затруднения отсутствуют при подземном расположении здания ГЭС и трубопровода, а иногда в таких случаях подземное расположение здания является единственно возможным решением. Кроме того строительные работы по подземным ГЭС не зависят от климатических условий и могут проводиться круглый год. Однако строительство подземных гидроэлектростанций в СССР не получило должного развития из-за относительно высокой стоимости скальных работ.
В настоящее время наблюдаются следующие принципиальные тенденции в развитии строительства подземных ГЭС:
осуществляется преимущественное строительство крупных подземных ГЭС мощностью 2—3 млн. кВт и более;
подземные ГЭС интенсивно сооружаются в районах с высокой сейсмичностью (в Японии, Югославии и других странах);
наряду с укрупнением подземных ГЭС и увеличением единичных мощностей агрегатов широко развернуто строительство подземных ГЭС и ГАЭС небольшой мощности;
распространено строительство каскадов гидроэлектростанций на горных реках с длинными деривационными туннелями, собирающими сток ряда горных рек. Так, каскад из четырех подземных ГЭС на р. Кинугава в Японии имеет общую длину подводящих и отводящих туннелей 50 км и суммарную установленную мощность ГЭС 205 МВт. Гидроэнергетическая система из семи гидроэлектростанций, включающая 30 плотин, 100 км различных туннелей, 7 подземных зданий ГЭС и другие сооружения, осуществлена после 1968 г. в Норвегии в бассейне р. Туле. В Альпах широко распространены каскадные схемы ГЭС с устройством наземных и подземных ГЭС.
Получили распространение головные схемы размещения подземных ГЭС без уравнительных резервуаров с расположением быстродействующих затворов в водоприемнике или напорном бассейне. При напорах до 250—300 м отпадает при этом необходимость в турбинных затворах. В благоприятных случаях осуществляются полуподземные ГЭС с размещением под поверхностью в траншейной выемке агрегатов, наземным расположением машинного зала и туннельным подводом и отводом воды (Вилюйская ГЭС).
Одним из основных вопросов компоновочного решения зданий подземных ГЭС является выбор места размещения повышающих трансформаторов — в расширенном для установки трансформаторов подземном зале (ГЭС Тамет I и Тамет II в Австралии), в отдельной подземной выработке (ГЭС Кариба в Зимбабве), на поверхности земли (Борисоглебская, Арзнинская, Храмская II, Ингурская и другие подземные ГЭС в СССР).
Для связи подземных ГЭС с поверхностью сооружаются транспортные, вентиляционные и кабельные штольни, по возможности объединяемые между собой и используемые как монтажные. В большинстве подземных ГЭС в целях уменьшения кубатуры выемки по возможности объединяют шинные, монтажные, кабельные и транспортные штольни и шахты, с сооружением при необходимости двухэтажных штолен (проект Дарьяльской ГЭС). Некоторые подземные ГЭС сооружаются глубоко под землей и связь с поверхностью осуществляется преимущественно шахтными коммуникациями. Так, на ГЭС—ГАЭС Гамильтон-Фоллс (Канада) здание станции размещено на глубине 350 м от поверхности земли; лодсводное пространство и шахты используются для прокладки различных кабелей, систем труб технического водоснабжения и охлаждения, вентиляционных устройств и др.; транспортные и кабельные шахты предусматриваются на четыре агрегата, кабельная и вентиляционная шахты совмещены.
Отводящие туннели от подземных ГЭС преимущественно выполняются безнапорными, что позволяет подсводное туннельное пространство использовать в качестве вентиляционной зоны запасного выхода на поверхность с помощью плавучих средств.
Основное оборудование (гидроагрегаты, главные трансформаторы), применяемое для зданий наземных ГЭС, еще мало приспособлено для размещения в подземных машинных залах, поскольку габариты его велики, оно не обладает надлежащей монтажной технологичностью и не отвечает транспортным условиям для подземных ГЭС, сооруженных в горных районах, зачастую не имеющих сети железных дорог. В зарубежной практике для подземных ГЭС разработаны специальные конструкции малогабаритного гидросилового и электрического оборудования, позволяющие снизить подкрановые габариты и высоту скальных выломок, например применяется двухблочная поставка трансформаторов.
В подземных ГЭС и в напорных подводящих и отводящих трактах иногда применяют предварительно напряженную анкеровку для обеспечения устойчивости и прочности отдельных скальных блоков, подкрановых балок, фундаментов, напорных коллекторов, анкерных опор, напорных трубопроводов и др. Имеются решения подземных ГЭС, сооруженных в слабых скальных и полускальных породах, а в Югославии сооружены подземные ГЭС в непрочных известняках и даже в закарстованных зонах. В Японии иногда сооружаются подземные здания ГЭС, конструктивно выполненные в виде опускных железобетонных колодцев- диаметром 25—30 м.

Верхние строения зданий ГЭС

В большинстве случаев наземные здания гидроэлектростанций сооружаются с закрытыми машинными залами, что благоприятно по условиям эксплуатации, особенно в северных районах. В средних и южных широтах здания гидроэлектростанций с низким машинным залом (полуоткрытого типа) в ряде случаев оправдали себя с экономической и эксплуатационной точек зрения. Пониженный машинный зал зданий ГЭС характеризуется наличием наружного козлового крана и располагаемого внутри него мостового крана грузоподъемностью 30—80 т. Для подачи оборудования в перекрытии машинного зала предусматриваются люки, закрываемые крышками. В компоновочных решениях таких ГЭС стремятся к использованию козловых кранов машинного зала также для подъема и опускания затворов в водосливной плотине. Верхнее строение при пониженном машинном зале обычно принимается каркасное с железобетонными колоннами и подкрановыми балками. В перекрытии над турбинным помещением верхнего строения без машинного зала устраиваются монтажные люки и перекрытие одновременно является кровлей. Здание Кременчугской ГЭС, например, выполнено без машинного зала, с металлическими съемными крышками над генераторами. Наружный козловый кран грузоподъемностью 500 т предназначен для монтажных и других работ. Повышающие трансформаторы расположены на бычках нижнего бьефа. Здание Днепродзержинской ГЭС выполнено с пониженным верхним строением, с наружным козловым краном грузоподъемностью 400 т.
За рубежом построено значительное количество зданий гидроэлектростанций с низким машинным залом и открытого типа, эксплуатируемых в разных климатических условиях. В США здания открытого типа применяются редко из-за усложнения эксплуатационного режима генераторов и почти равнозначности экономических показателей для открытых зданий ГЭС и для ГЭС с низким машинным залом. В Канаде распространены открытые и с низким машинным залом здания ГЭС, в том числе в районах с низкими зимними температурами. В Финляндии зачастую применяются не только закрытые полногабаритные машинные залы, но и закрытые щитовые части ГЭС.
Высота и ширина высокого машинного зала определяются условием проноса кранами ротора генератора без вала над работающими агрегатами с учетом проведения разгрузочных и сборочных операций на монтажной площадке и провоза крупногабаритных грузов под подкрановой балкой. Основа высокого верхнего строения при мостовых кранах — несущий каркас из поперечных рам и продольных подкрановых балок при стремлении к унификации типоразмеров строительных элементов каркаса и к применению индустриальных конструкций. Подкрановые балки выполняются из сборного железобетона или стальными. Колонны рам располагаются на отметке пола трубинного помещения с шагом, одинаковым для всего здания (обычно 6—12 м). В зданиях Братской и Усть-Илимской ГЭС несущие колонны, подкрановые балки и ограждающие конструкции выполнены из сборного железобетона и сборного керамзитобетона. В здании Красноярской ГЭС приняты сборные железобетонные колонны шагом 12 м и металлические фермы перекрытия и подкрановые балки.
В конструкциях зданий гидроэлектростанций широко применяются армокаркасы, в том числе несущие каркасы для бетонирования, армоблоки, армоплиты, образующие наружные поверхности бычков, стен спиральных камер и др. Примером широкого применения сборного железобетона является Киевская ГЭС, где удалось сократить криволинейные поверхности благодаря установке капсульных агрегатов. В монолитном бетоне здесь выполнены лишь фундаментная плита, часть бычков и некоторые другие конструкции.