Раздел IV
ВОДОПРОВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ГЛАВА 26
ВОДОПРИЕМНИКИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
26.1. НАЗНАЧЕНИЕ ВОДОПРИЕМНИКОВ И ИХ ТИПЫ
Водоприемники представляют собой головную часть проточного тракта гидроэлектростанции, служащую для непосредственного приема воды из водохранилища, водотока или бассейна (ГАЭС). Они должны обеспечивать поступление необходимых расходов воды в водоводы, прекращение поступления воды во время осмотра или ремонта сооружений и оборудования, а также в случае аварии, защиту проточного тракта от проникновения донных наносов, плавающих тел, крупного сора, шуги и льда. Очертания водоприемника должны обеспечивать плавный вход воды в водоводы и создавать минимальные потери напора.
Рис. 26.1. Типы водоприемников:
а — напорный; б — безнапорный; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — забральная стенка; 3, 4 — пазы ремонтного и аварийно-ремонтного затворов; 5 — промежуточная стенка; 6 — гидроподъемник; 7 — аэрационная труба; 8 — обводная труба (байпас); 9 — кран; 10 — промывные галереи
Конструкции водоприемников русловых зданий рассмотрены в гл. 16. В настоящей главе дано описание водоприемников приплотинных зданий, водоприемных устройств деривационных ГЭС и водоприемников верхних бассейнов ГАЭС.
Тип и конструкция водоприемника зависят от схемы и состава сооружений гидроузла, а также от природных условий района строительства. Все водоприемники можно разделить на два вида: безнапорные и напорные.
Напорные водоприемники (рис. а) применяются обычно в условиях значительных колебаний уровней воды в верхнем бьефе во всех схемах ГАЭС и ГЭС, кроме деривационных с низконапорными головными узлами. В большинстве случаев напорные водоприемники имеют незначительное заглубление. Однако есть примеры, когда их порог располагается на 50 — 80 м ниже НПУ.
Безнапорные водоприемники (рис. 26.1,б) применяются на гидроэлектростанциях при небольших колебаниях уровня верхнего бьефа. Преимущественное распространение они получили на деривационных станциях с низконапорными головными узлами.
КОНСТРУКЦИИ НАПОРНЫХ ВОДОПРИЕМНИКОВ
Напорные водоприемники приплотинных зданий станций, а также деривационных гидроэлектростанций можно разбить на три характерных типа: плотинные, береговые и башенные.
Плотинные водоприемники размещаются в теле бетонной или железобетонной плотины или примыкают к ее напорной грани.
Рис. 26.2. Водоприемник в теле гравитационной плотины:
а — с плоской сороудерживающей решеткой; б — с полуциркульной в плане решеткой; 1 — забральная стенка; 2 — ремонтный двухсекционный затвор; 3 — паз аварийно-ремонтного затвора; 4 — решетка; 5 — аэрационная труба; 6 — обводная труба; 7 — козловой кран; 8 — гидроподъемник; 5 — лестница в шахте аварийно-ремонтного затвора; 10 — захватная балка ремонтного затвора; 11 — то же решетки; 12 — подхват для решетки; 13 — промежуточная стенка; 14 — металлическое съемное перекрытие; 15 — автодорожный мост; 16 — шестичелюстной грейфер
Применяются они главным образом в приплотинных зданиях, а иногда в деривационных станциях с регулирующими водохранилищами. В приплотинных зданиях, расположенных непосредственно за плотиной, устройство водоприемника такого типа позволяет существенно упростить компоновку, сократить длину турбинных водоводов и, как правило, уменьшить стоимость гидроузла. В деривационных станциях с регулирующими водохранилищами плотинные водоприемники используются в случаях, когда применение водоприемников других типов затруднительно или неэкономично по геологическим или топографическим условиям, что выявляется технико-экономическим сравнением.
Водоприемник в теле гравитационной плотины при небольших колебаниях уровня воды в верхнем бьефе приведен на рис. 26.2,а. С целью уменьшения высоты ремонтных затворов за ними между бычками устроена промежуточная вертикальная железобетонная стенка. Плоские аварийно-ремонтные и двухсекционные ремонтные затворы, а также решетка обслуживаются козловым краном. Управление аварийно-ремонтными затворами осуществляется при помощи индивидуальных гидроподъемников.
Забральная стенка в этом водоприемнике на 11 м заглублена под уровень сработки водохранилища, что позволяет сократить высоту сороудерживающей решетки. Однако незначительное удаление забральной стенки от промежуточной, на которую опирается ремонтный затвор, и существенное различие между их заглублением (9 м) могут привести к крайне неравномерному распределению скоростей по высоте решетки и даже к исключению из работы верхней ее части. В результате скорость потока на решетке может оказаться больше расчетного среднего значения.
Сороудерживающая решетка водоприемника вынесена вперед по отношению к напорной грани плотины и установлена на специальной консоли. Уменьшение скоростей перед решеткой или сокращение ее высоты может быть получено применением «решетки полуциркульной формы в плане (рис. 26.2,б).
На рис. 26.3 приведены другие конструкции водоприемников, расположенных в теле гравитационной плотины. Водоприемник на рис. 26.3,а отличается от рассмотренного выше небольшим заглублением под уровень сработки водохранилища и наличием струенаправляющей железобетонной плиты, в которую переходит забральная стенка. Наличие этой плиты, а также взаимное расположение забральной и промежуточной стенок водоприемника обеспечат, по-видимому, значительно более разномерное распределение скоростей по высоте решеток, чем в конструкции на рис. 26.2.
В конструкции, изображенной на рис. 26.3,б, установлены стационарные сороудерживающие решетки. На рис. 26.3,в изображена конструкция водоприемника со стационарными неочищаемыми решетками при большой глубине сработки водохранилища. С целью уменьшения скоростей решетки имеют большую высоту, что потребовало значительного (21,5 м) заглубления водоприемника под минимальный уровень воды в водохранилище. В пределах водоприемника кроме решеток предусмотрены ремонтные плоские затворы. Аварийно-ремонтные затворы в данном случае установлены перед турбинными камерами.
Водоприемник, совмещенный с водосливом, показан на рис. 26.3,г. К характерным его особенностям относится применение в качестве аварийных дисковых затворов, размещенных в специальной галерее.
Водоприемники в арочных и арочно-гравитационных плотинах, чтобы не ослаблять тела плотины, располагаются на вынесенных в верхний бьеф консолях. Такие водоприемники обычно имеют большое заглубление, оборудуются неочищаемыми решетками и плоскими ремонтными затворами (рис. 26.4,а). Аварийно-ремонтные затворы при этом размещаются в здании станции перед турбинными камерами. При относительно небольшой сработке водохранилища водоприемники в арочно-гравитационных плотинах могут иметь небольшое заглубление и оборудоваться решетками, ремонтными и аварийно-ремонтными затворами.
Водоприемники в контрфорсных плотинах, как правило, незначительно заглубляются под уровень сработки водохранилища. Они оборудуются решетками и ремонтными затворами, пазы для которых устраиваются в бычках, расположенных над контрфорсами (рис. 26.4,6). Для уменьшения высоты сороудерживающей решетки устраивается вертикальная железобетонная стенка, на которую опирается решетка.
Аварийно-ремонтные затворы устанавливаются на станционных трубопроводах ниже водоприемника.
Береговые водоприемники представляют собой железобетонные конструкции, примыкающие непосредственно к береговому откосу, в которых размещается все оборудование.
Рис. 26.3. Плотинные водоприемники в теле гравитационной плотины:
а — со съемными решетками; б — со стационарными очищаемыми решетками; в — со стационарными неочищаемыми решетками; г — водоприемник, совмещенный с водосливной плотиной; 1 — забральной стенка; 2 — ремонтный затвор (заграждение); 3—аварийно-ремонтный затвор; 4 —решетка; 5 — аэрационная труба; 6 — обводная труба; 7— гидроподъемник; 8 —турбинный водовод
Рис. 26.4. Плотинные водоприемники:
а — в арочной плотине; б — в контрфорсной плотине; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — консоль; 3 — паз ремонтного затвора; 4 — железобетонная стенка; 5 — бычки
Рис. 26.5. Береговой водоприемник:
1 — забральная стенка; 2 — решетка; 3 — совмещенный паз решетки и ремонтного затвора; 4 — паз грейфера; 5 — аварийно- ремонтный затвор; 6 — гидроподъемник; 7 — аэрационная труба; 8 — обводная труба
Применяются они в деривационных станциях, а также в приплотинных зданиях станций при благоприятных топографических и геологических условиях.
Иногда размещение всего оборудования берегового водоприемника в одной конструкции, примыкающей к берегу, оказывается неэкономичным, например при больших колебаниях уровня воды, при пологих или, наоборот, очень высоких и крутых берегах в районе водоприемника. В этих случаях требуются большие объемы скальных и бетонных работ, поэтому применяются береговые водоприемники с шахтами или подземными помещениями для затворов. На береговом откосе при такой схеме водоприемника устраивается только входной конфузорный участок, оборудованный решетками, затворы размещаются в шахте или в специальном помещении, которые относительно короткой напорной штольней соединяются с входной частью водоприемника. Такие конструкции применяются главным образом в деривационных гидроэлектростанциях при хороших скальных породах.
Водоприемник, изображенный на рис. 26.5, расположен непосредственно на берегу водохранилища и имеет относительно большую высоту. Характерной особенностью конструкции является совмещение пазов ремонтного затвора и сороудерживающей решетки, что позволило сократить размеры водоприемника.
Конструкции береговых водоприемников с «сухой» и «мокрыми» (заполненными водой) шахтами затворов приведены на рис. 26.6.
В суровых климатических условиях над водоприемниками иногда устраивают закрытые помещения.
Башенные водоприемники представляют собой отдельно стоящие башни с водоприемными отверстиями, расположенными по всему периметру или на большей его части. Башни располагаются на склонах берегов или перед плотинами. Применяются башенные водоприемники, когда устройство берегового водоприемника из-за неблагоприятных топографических условий сопряжено с большими объемами работ или если после заполнения водохранилища на склоне возможно образование оползней. Башенные водоприемники находят широкое применение в гидроэлектростанциях с грунтовыми плотинами и в приплотинных зданиях станций с арочными плотинами.
При большой высоте башни обеспечить ее устойчивость в сейсмических районах трудно. В этих условиях приходится либо отказываться от данного типа водоприемника, либо уменьшать высоту башни и располагать ее верх ниже НПУ, что усложняет эксплуатацию водоприемника.
Преимуществами башенных водоприемников являются независимость направления оси напорного водовода от расположения водоприемных отверстий и возможность устройства отверстий в несколько ярусов по высоте.
Рис, 26.6. Береговые водоприемники:
а —с «сухой» шахтой для обслуживания дискового затвора; б —с «мокрыми» шахтами; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — дисковый затвор; 3 — аэрационная шахта; 4 - место для хранения секций решеток и ремонтных заграждений; 5- лебедка; 6 — лазы; 7 — ремонтные заграждения; 8 — аварийно-ремонтные затворы; 9 — промежуточный бычок, 10 — деривационный туннель; 11 — подъемник сегментного затвора; 12 — решеткоочистная машина; 13 — железобетонная стенка
Рис. 26.7. Башенный водоприемник с водоприемными отверстиями, расположенными по периметру:
1 — водоприемные отверстия; 2 — сороудерживающая решетка; 3 — цилиндрический ремонтный затвор; 4 — аэрационные трубы; 5 — ремонтное заграждение; 6 — тяги винтовых подъемников цилиндрических затворов, 7 — винтовые подъемники; 8 — место для хранения ремонтных заграждений
Рис. 26.8. Башенные водоприемники:
а — с водоприемными отверстиями, расположенными в ряд; б — с одним водоприемным отверстием; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — паз ремонтного затвора; 3 — паз аварийно-ремонтного затвора; 4 — напорный водовод; 5 — гидроподъемник; 6 — аэрационная труба; 7 — служебная шахта с лифтом
Последнее имеет положительное значение при строительстве водоприемников на водотоках, содержащих значительное количество наносов
и сора, а также при больших объемах водохранилищ, так как позволяет еще до их наполнения начать временную эксплуатацию гидроэлектростанции. В башенных водоприемниках применяются стационарные или съемные конструкции решеток, установленные в один или два ряда — только мелкие или грубые и мелкие решетки.
В приплотинных зданиях станций с короткими водоводами и затворами перед турбинными камерами в башенном водоприемнике предусматриваются, как правило, только ремонтные, а в других схемах с длинными водоводами также и аварийно-ремонтные затворы. Плоские аварийно-ремонтные затворы применяются при одностороннем входе и боковом отводе напорного водовода. При расположении водоприемных отверстий по периметру башни и вертикальной оси начального участка напорного водовода предпочтительна установка уравновешенных цилиндрических металлических или железобетонных затворов, перекрывающих одновременно все водоприемные отверстия или входное отверстие напорного водовода.
Форма башенных водоприемников в плане может быть цилиндрической, близкой к ней или прямоугольной.
Прямоугольная применяется обычно в приплотинных зданиях станций с относительно большими расходами воды при объединении водоприемников отдельных водоводов в одну конструкцию.
На рис. 26.7 приведена конструкция цилиндрического башенного водоприемника с одним ярусом водоприемных отверстий, расположенных по всему периметру. От водоприемника отходит три напорных водовода, в каждый из которых вода поступает через три водоприемных отверстия, разделенных между собой бычками. Ремонтные уравновешенные цилиндрические металлические затворы в опущенном положении перекрывают входы в напорные водоводы и изолируют их шахты от поступления воды. Управляются затворы индивидуальными винтовыми подъемниками, расположенными в специальном помещении наверху. Для обеспечения ремонта цилиндрических затворов предусмотрены плоские ремонтные заграждения; сороудерживающие решетки — стационарные.
На рис. 26.8,а изображен башенный водоприемник приплотинного здания ГЭС, расположенный перед грунтовой плотиной. Характерными особенностями этого башенного водоприемника являются односторонний вход воды и наличие криволинейной железобетон ной плиты большой длины, в которую переходит забральная стенка.
На рис. 26.8,б приведен башенный водоприемник с односторонним входом воды, полуциркульными в плане стационарными неочищаемыми решетками и плоскими затворами.
Рис. 26. 9. Водоприемники верхних бассейнов ГАЭС:
а — без сороудерживающих решеток с развитым входным участком; б —с двумя башнями — низкой водоприемной (водовыпускной) и высокой для размещения затворов; в — с забором (выпуском) воды по периметру; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — паз ремонтного затвора; 3 — паз аварийно-ремонтного затвора; 4 — напорный водовод; 5 — гидроподъемник; 6 — аэрационная труба; 7 — входной участок; 8- мостовой переход; 9 — служебная башня; 10 — колено
Водоприемники верхних бассейнов ГАЭС могут быть выполнены по одной из рассмотренных выше схем или аналогично водоприемной части напорных бассейнов ГЭС (см. гл. 29).
На рис. 26.9,а изображена конструкция водоприемника (водовыпуска), расположенного в напорной дамбе верхнего бассейна ГАЭС. Его характерными особенностями являются отсутствие забральной стенки и сороудерживающей решетки, а также относительно длинный головной участок (раструб) с небольшим Углом конфузорности (диффузорности). Последнее определяется тем, что водоприемник работает в турбинном и насосном режимах (при прямом и обратном течении воды).
Конструкция башенного водоприемника ГАЭС, расположенного перед арочной плотиной, изображена на рис. 26.9,б. Водоприемник имеет две башни — низкую водоприемную (водовыпускную в насосном режиме), оборудованную стационарной неочищаемой решеткой, и высокую для размещения плоских затворов. На рис. 26.9,в показан башенный водоприемник (водовыпуск) с забором воды по периметру.
Вопрос о возможности отказа от установки сороудерживающих решеток в водоприемниках ГАЭС с искусственными бассейнами в настоящее время окончательно не решен. Однако на ряде таких ГАЭС удалось от них отказаться, что позволило существенно сократить объемы работ по водоприемнику и уменьшить расход металла.
