ГЛАВА 21
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРАВЛИКИ ЗДАНИЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ПОДВОДЯЩЕЕ РУСЛО
Подводящим руслом гидроэлектростанции называют участок верхнего обьефа, прилегающий к водоприемнику и обеспечивающий благоприятный подвод воды к нему. В деривационных станциях с низконапорными головными узлами условия подвода воды к водоприемнику определяются главным образом требованиями обеспечения его защиты от донных наносов (см. гл. 26). При плотинных и плотинно-деривационных схемах создания напора (кроме русловых зданий) водоприемники располагаются значительно выше дна реки, и в этом случае не требуется возведения устоев, струенаправляющих открылков, углубления и защиты русла реки от размыва, поэтому подводящее русло как конструктивный элемент гидроузла у этих станций обычно отсутствует.
Русловое здание станции, как правило, имеет подводящее русло. Его очертания, а также необходимость устройства тех или иных конструктивных элементов в подводящем русле зависят от геологических и топографических условий, а также от общей компоновки гидроузла и в частности от места расположения здания станции (в русле, в пойме, частично или полностью врезано в берег). При проектировании подводящих устройств гидроэлектростанции с русловым зданием определяют очертание и размеры струенаправляющих стенок и дамб, сопрягающих устоев, линии врезки подводящего русла в берег и профиль его дна. На некоторых станциях в подводящем русле устраиваются ковши поперек потока перед креплением дна и вдоль струенаправляющих стенок и дамб во избежание их подмыва.
В этих случаях необходимо также рассчитать возможную глубину размыва перед креплением дна и крупность камня «в ковшах.
Струенаправляющие сооружения (рис, 21.1) в подводящем русле устраиваются для сопряжения русловых зданий станций с грунтовыми плотинами или берегом, а также для выравнивания потока по фронту с целью создания благоприятных гидравлических условий в водоприемниках крайних турбинных блоков и обеспечения равномерного распределения расхода между агрегатами.
Оптимальные очертания и длина струенаправляющих сооружений для конкретных зданий станций определяются большей частью путем лабораторных исследований. Предварительно длину проекции I на направление движения потока струенаправляющей стенки, сопрягающей здание станции с грунтовой плотиной, можно принимать равной заложению верхового откоса плотины (рис. 21.1,а — в). Проекция струенаправляющей стенки, сопрягающей здание с берегом (если оно не врезано в берег), может быть короче, но не меньше длины понура, если он имеется.
В плане стенки могут иметь цилиндрическое (рис. 21.1,б), лучше эллиптическое (рис. 21.1,в) или близкое к нему очертание. При эллиптическом очертании отношение полуосей эллипса целесообразно принимать равным 1/а=2,5 — 3,0. Для построения эллиптической стенки (рис. 21.1,в) можно использовать формулу
(2U)
На зданиях станций несовмещенного типа при скоростях потока в подводящем русле менее 1 м/с принимаются более простые очертания струенаправляющих стенок, например ныряющая стенка (рис. 21.1,г).
Рис. 21.1. Очертания струенаправляющих и разделительных стенок
Раздельная стенка между зданием станции и водосливной плотиной предназначена для улучшения условий поступления потока к зданию станции и плотине при их раздельной и совместной работе. Исследованиями установлено, что на зданиях станции несовмещенного типа приемлемые условия подвода воды к зданию при неработающей плотине обеспечиваются при устройстве раздельной -стенки относительно небольшой длины. На зданиях станций совмещенного типа удельные расходы по фронту водосливной плотины и здания во время их совместной работы примерно одинаковы; поток направлен перпендикулярно фронту гидроузла, что создает благоприятные гидравлические условия для его деления при наличии раздельной стенки также небольшой длины.
Вопрос о необходимости устройства раздельной стенки и ее размерах для конкретных условий гидроузла, как правило, решается лабораторными исследованиями. Предварительно размеры раздельной стенки могут быть выбраны в соответствии с рис. 21.1,д при R=0,1 В (В — длина здания по водоприемному фронту), но не более 5 — 6 м (если она не используется для размещения опор линии электропередачи в качестве переходной перемычки между котлованами первой и второй очередей строительства или других целей). В некоторых случаях раздельная стенка может иметь большую длину, но не более длины понура.
При небольших скоростях в подводящем русле (меньше 1 м/с) возводить раздельную стенку между зданием станции и водосливной плотиной не требуется.
Очертание береговой линии. При врезке здания станции частично или полностью в берег береговая линия в виде откоса или стенки должна обеспечивать .равномерное распределение расхода между агрегатами, допустимые потери напора в подводящем русле, а также по возможности фронтальный подвод воды к водоприемникам всех агрегатов. Недостаточная длина береговой линии (рис. 21.2) может привести к отрыву от нее потока и к косому (нефронтальному) подводу воды к водоприемникам крайних агрегатов; в результате возрастут потери капора в подводящем русле и в водоприемнике станции. При большой длине береговой линии потери напора будут малыми, но существенно увеличится объем работ. Поэтому оптимальные очертания и длина береговой линии находятся технико-экономическим сопоставлением различных вариантов. Состояние изученности этого вопроса не позволяет в настоящее время определить потери напора в подводящем русле и дополнительные потери напора в водоприемнике ГЭС при различных очертаниях береговой линии.
Рис. 21.2. Очертание береговой линии подводящего русла
Поэтому технико-экономическое сопоставление вариантов основывается на результатах лабораторных исследований.
Предварительно очертание и длина береговой линии могут быть определены в соответствии с рис. 21.2.
Высотное положение дна подводящего русла зависит от отметки порога водоприемника, топографических и геологических условий, схемы пропуска строительных расходов, длины русла и глубины потока в нем. Дно подводящего русла может быть или горизонтальным на всем протяжении, или иметь обратный уклон (подъем) на начальном участке, или быть в начале горизонтальным, а в конце перед водоприемником иметь участок с прямым уклоном.
Основными потерями напора в подводящем русле являются потери на трение, а также на расширение потока в вертикальной плоскости (при понижении дна перед водоприемником). При обычно встречающихся в практике длинах и глубинах потока в подводящих руслах потери напора в них незначительны, что позволяет в случае необходимости повышать отметку их дна по сравнению с отметкой порога водоприемника. Заложение наклонного участка русла перед зданием станции рекомендуется принимать m=4.
В пределах струенаправляющих стенок, сопрягающих здание станции с плотиной или берегом, дно подводящего русла на нескальных грунтах обычно укрепляется. Поэтому при выборе отметки дна подводящего русла необходимо учитывать также, что его повышение приводит к увеличению скоростей и может потребовать устройства крепления в начале подводящего русла — начального крепления. Необходимость начального крепления
Рис. 21.3. Конструктивные схемы крепления в начале подводящего русла:
--------------- контур ожидаемого размыва
дна выявляется расчетом возможной глубины размыва перед закрепленным горизонтальным дном подводящего русла.
Защита крепления подводящего русла от подмыва вызывается тем, что скорости в русле, особенно перед зданиями станций совмещенного типа, могут быть существенно больше бытовых. Например, на Саратовской ГЭС при работе турбин и водосбросов средняя скорость на понуре достигает 3,5 м/с. В некоторых случаях наибольшие скорости, а следовательно, и возможность подмыва крепления дна подводящего русла могут возникать при пропуске строительных расходов через здание станции.
Начальное крепление (рис. 21.3), т. е. защита крепления подводящего русла от подмыва, выполняется в виде каменной наброски (рис. 21.3,а) или устройства ковша (рис. 21.3, б, в, г), у которого дно и откос, обращенный в сторону сооружения, защищены камнем (рис. 21.3,в) или гибким тюфяком (рис. 21.3, г). Объем каменной наброски рассчитывается на защиту низового откоса и дна возможной воронки размыва. Иногда может оказаться целесообразным устройство зуба (рис. д). Струенаправляющие дамбы, выходящие за крепление дна, во избежание подмыва также должны быть защищены. Основание струенаправляющих стенок и открылков боковых устоев располагают ниже уровня возможного размыва.
Глубина размыва перед креплением hр, м, может быть определена по формуле [69] (21.2) где kq=1 — 1,5 — коэффициент неравномерности распределения расхода по ширине подводящего русла; q — удельный расход, м3/(см); d50 — средний диаметр частиц несвязного неоднородного грунта перед креплением подводящего русла (соответствует 50% по кривой гранулометрического состава), м.
Крупность камня на откосе ковша перед креплением подводящего русла d, м, можно найти по формуле [69] (21.3) где k= 1,15-1,25 — коэффициент, учитывающий пульсацию придонной скорости потока; v=l5q/h — максимальная средняя по вертикали скорость в подводящем русле; м/с; 1,2 — -1,4 — коэффициент запаса; h — глубина потока, м.
