8.2. Низко- и средненапорные гидроузлы
До 1958—1960 гг. крупное комплексное гидротехническое строительство в СССР осуществлялось на равнинных, преимущественно судоходных реках, русло и протяженные пойменные и надпойменные террасы которых обычно сложены нескальными породами. Эти реки характеризуются чрезвычайной неравномерностью стока во времени (за исключением рек, вытекающих из озер), значительными паводковыми расходами, достигающими 30—40 тыс. м3/с, и сложными ледовыми условиями. В состав сооружений низко- и средненапорных гидроузлов на равнинных реках обычно входят грунтовая плотина, занимающая основную часть напорного фронта, бетонная плотина, предназначенная для пропуска строительных и эксплуатационных расходов водотока, здание ГЭС, зачастую совмещенное с бетонной плотиной и воспринимающее напор, и судоходные сооружения, располагаемые в берегах и на надпойменных террасах.
В описанных условиях обычно применяются береговые компоновки бетонных сооружений — полупойменные и пойменные. Русловые же компоновки, в которых бетонные сооружения гидроузла располагаются, в руслах рек, применяются редко, так как при значительных паводках и ледоходах это потребовало бы устройства тяжелых высоких перемычек и удлинения сроков строительства вследствие необходимости возведения бетонных сооружений в две очереди. При береговых (пойменных) компоновках строительные расходы и лед пропускаются в бытовых условиях, а русло реки перекрывается обычно в последний год строительства глухой грунтовой плотиной. Вместе с тем при пойменных компоновках возрастает по сравнению с русловыми кубатура выемок по созданию котлованов сооружений, сооружению подводящего и отводящего трактов и пр.
В большинстве осуществленных гидротехнических узлов на равнинных реках со средними ледоходами и значительными или умеренными паводками принята полупойменная компоновка бетонных сооружений, в которой водосливная плотина, здание ГЭС и судоходный шлюз возводятся в пойме реки с незначительным захватом русловой части створа. В этом случае по сравнению с русловой компоновкой упрощаются условия производства работ в части водоотлива и строительства перемычек, возможно возведение бетонных сооружений в одну очередь и начало строительных работ до сооружения перемычек. Вследствие незначительного стеснения русла по сравнению с русловой компоновкой облегчаются также условия судоходства по реке в период строительства. При этом степень стеснения русла реки во время строительства определяется расчетом, исходя из условий пропуска паводков, судоходства, допускаемых размывов русла.
Недостатками полупойменных и пойменных компоновок гидроузлов является необходимость устройства более глубоких котлованов бетонных сооружений по сравнению с русловыми компоновками и одностороннее растекание потока в нижнем бьефе. Однако обширные гидравлические исследования, выполняемые для обоснования проектов ГЭС, позволяют избежать в большинстве случаев такого рода неблагоприятных явлений.
На равнинных реках с широкими поймами стремятся к расположению основных бетонных сооружений на участке с лучшими геологическими условиями. По возможности принимается компоновка бетонных сооружений в общем котловане с отказом от перемычек второй очереди и перекрытием стесненного русла каменным банкетом. При полупойменных и пойменных компоновках гидротехнических узлов после возведения (в одну или две очереди) бетонных сооружений с пониженными порогами водопропускных отверстий основная судоходная часть русла перекрывается глухой земляной плотиной с переключением пропуска воды на бетонные сооружения. Это производится обычно после окончания осенней навигации с выполнением строительных работ в зимний период.
Характерной особенностью компоновочных решений сооружений гидроэлектростанций на равнинных реках является стремление уменьшить длину бетонных напорных сооружений за счет максимального использования бетонного фронта для пропуска строительных и эксплуатационных расходов водотока и подвода воды к агрегатам ГЭС.
При этом стремятся расположить агрегаты ГЭС в теле плотины и разместить в здании гидроэлектростанции водоводы для сброса в нижний бьеф паводковых расходов. Это позволило в некоторых случаях отказаться от строительства отдельной водосливной плотины (Камская, Иркутская, Саратовская ГЭС и др.). Павловский гидроузел на р. Уфе имеет в своем составе бетонную водосливную плотину высотой 53 м с поверхностным водосбросом и встроенным в плотину зданием ГЭС с четырьмя агрегатами мощностью 165 МВт, русловую намывную плотину наибольшей высотой 43 м и судоходный шлюз, являющийся одновременно и водосбросом. Основанием сооружений являются трещиноватые частично закарстованные известняки, по существу относящиеся к полускальным породам. В последнее время применявшийся ранее тип водосливной ГЭС (Камская, Павловская, Кайраккумская, Ириклинская) претерпел изменения. Получены более легкие и изящные решения в проектах Плявинской, Череповецкой, Киевской и других ГЭС.
Интересным примером средненапорного гидроузла является Днепрогэс II, в котором умело используется существующая плотина Днепрогэс имени В. И. Ленина. После восстановления (1945—1948 гг.) подпорный уровень в водохранилище Днепровской ГЭС был повышен на 0,8 м и мощность Днепрогэс I возросла до 650 тыс. кВт. Зарегулирование стока Днепра Кременчугским водохранилищем снизило сбросной расход Днепрогэс с 40 до 25,9 тыс. м3/с, вследствие чего 21 (из 47) водосливное отверстие плотины стало лишним. Это позволило использовать их для размещения здания Днепрогэс II с монтажной площадкой и судоходного шлюза. Здание ГЭС сооружено за левобережными водосливными пролетами № 29—47 существующей плотины, которые переоборудованы под водоприемные отверстия восьми агрегатов. К каждой турбине вода подается из двух водосливных пролетов по двум железобетонным напорным трубопроводам (от 7,5 X 7,5 м на оголовке плотины до 9,4X7,5 у входа в спиральную камеру). Трубопроводы опираются на водосливную плотину и отделены температурно-деформационными швами от приагрегатной части ГЭС. В плане здание повторяет криволинейность водосливной плотины и описано по радиусу из того же центра, что и водосливная плотина. Отводящий канал вырублен в скале.
Решающее значение при выборе компоновок низко- и средненапорных сооружений гидроузлов имеют вопросы пропуска строительных и эксплуатационных расходов. Плановое расположение грунтовых плотин определяется из условия обеспечения наименьших объемов земельно-скальных работ и противофильтрационных мероприятий. Примером может служить компоновка сооружений Боткинского гидроузла (рис. 8.1).
Большинство сооруженных и строящихся низко- и средненапорных гидроузлов имеют комплексное значение (гидроузлы на Волге, Каме, Дону, Днепру, Оби, Иртыше, Сырдарье, Амударье и других реках), что оказывает существенное влияние на их компоновку.
Рис. 8.1. Компоновка сооружений Боткинского гидроузла.
1 — здание ГЭС; 2 — водосливная плотина; 3 — русловая грунтовая плотина № 1; 4 — правобережная грунтовая плотина № 2; 5 — грунтовая левобережная плотина № 3; 6 — судоходный шлюз; 7 — ограждающий мол; 8 — левобережная грунтовая плотина № 4.
Так, пятая ступень Волжского каскада — Чебоксарская ГЭС предназначена для целей энергетики, водного транспорта, рыбного хозяйства и др. Максимальный напор 18,9 м. Расчетный максимальный сбросной расход в половодье 0,01 % -ной обеспеченности с гарантийной поправкой составляет 48 000 м3/с, среднемноголетний расход 3500 м3/с. Компоновка основных бетонных сооружений предусматривает расположение их в русле у правого берега, что определилось меньшими объемами земляных работ, лучшими условиями судоходства и организации работ. Напорный фронт гидроузла протяженностью по гребню сооружений 4480 м состоит из двухниточного одноступенного шлюза, здания ГЭС, совмещенного с водосбросами, бетонной водосливной плотины, русловой и левобережной грунтовой пойменной плотин.
В здании ГЭС общей длиной 548,5 м, совмещенном с донными диффузорными водосбросами, установлено 18 турбин. Машзал принят закрытого типа пониженной высоты с островной компоновкой основного оборудования. Монтажная площадка располагается между ГЭС и шлюзом. Основанием здания ГЭС являются известняки и мергели с прослойками глин. Земляные намывные плотины наибольшей высотой 42 м и общей протяженностью 3355 м сооружаются на песчаных отложениях. Объем бетона и железобетона по гидроузлу составляет 2369 тыс. м3, выемка мягкого грунта 29 961 тыс. м3, скального 451 тыс. м3, кубатура насыпи 34 287 тыс. м3 и в том числе намыва 18 850 тыс. м3.
Примером комплексного гидроузла может явиться также Крапивинский гидроузел на Томи, основным назначением которого является создание водохранилища для предотвращения загрязнения бассейна Томи. Энергетическое использование водохранилища имеет подчиненное значение. В пределах Крапивинского створа коренные породы (конгломераты, песчаники, известняки и др.) прорваны прочными диабазовыми порфиритами, на которых базируются основные сооружения гидроузла. Правый берег крутой, скальные породы обнажены,, на более пологом левом берегу коренные породы покрыты суглинистыми грунтами. При компоновке принято левобережное размещение основных бетонных сооружений по условиям топографии, а также с учетом лучшего размещения поселка, стройбаз, развитых транспортных связей и освоенности. Протяженность напорного фронта 1164 м. Основной участок створа перекрывается грунтовой плотиной.
Предпочтение отдано варианту компоновки с приплотинной ГЭС, так как вариант с совмещенной ГЭС требовал обеспечения пропуска строительных расходов с использованием двух выштрабленных секций здания ГЭС и не позволял полностью совместить водосброс и водосливную плотину, компоновка же с туннельным подводом воды требовала больших затрат трудовых и материальных ресурсов. При разработке компоновки и типов сооружений была учтена возможность наращивания сооружений для II очереди, с соблюдением в то же время принципа минимальных затрат в сооружения I очереди, т. е. основные сооружения выбраны с учетом нагрузок I очереди, но с проверкой для случая наращивания. Механическое оборудование выполнено на параметры I очереди, а пазовые закладные конструкции — II; турбинное оборудование выполняется с учетом напоров II очереди, генератор — для I очереди.
