Гидротехнические сооружения составляют наибольшую по объему часть основных фондов гидроэлектростанций — их доля достигает 75—80%. В отличие от основного оборудования старение гидросооружений протекает крайне медленно. Поэтому главной задачей при эксплуатации гидросооружений является обеспечение их безопасного состояния и надежной работы, создание тем самым условий для бесперебойной и экономичной работы технологического оборудования комплексных гидроузлов — гидроагрегатов гидроэлектростанций, насосных станций, судоходных устройств и т. д.
На гидроузлах нашей страны не было катастрофических аварий при работе гидросооружений. Опыт эксплуатации показывает, что запроектированные и сооруженные в СССР гидроузлы в целом отвечают требованиям прочности, надежности и долговечности, однако отдельные повреждения гидросооружений, связанные с действием внешних нагрузок, а иногда и с ошибками при эксплуатации, все же имеют место. При этом наиболее существенные повреждения возникают на небольших гидроэлектростанциях при неожиданных катастрофических стихийных явлениях (сверхрасчетные паводки, сели и т. и.) на горных реках Кавказа и Средней Азии. Гидросооружения крупных комплексных гидроузлов, как правило, испытывают лишь частичные эксплуатационные затруднения при пропуске паводков, а также в периоды ледостава и ледохода на реках и водохранилищах.
Одним из наиболее важных показателей эксплуатационного состояния гидротехнических сооружений гидроэлектростанций является степень его влияния на работу основного гидроэнергетического оборудования. Анализ имеющихся данных показывает, что разрыв между установленной и располагаемой мощностью на гидроэлектростанциях, вызванный неудовлетворительным состоянием гидротехнических сооружений, за последние годы не превышает 2—3% суммарного разрыва. Эксплуатационный персонал ведет постоянную работу по повышению надежности и улучшению состояния гидросооружений.
Постоянно осуществляемый анализ состояния гидротехнических сооружений, изучение опыта их эксплуатации позволили установить причины и характер наиболее распространенных повреждений. Такие повреждения являются весьма специфическими для каждого типа сооружений и требуют достаточно больших затрат на их устранение, что определяет необходимость особого внимания не только эксплуатационников, но и проектных и научно-исследовательских организаций, занятых поисками новых более надежных и эффективных конструктивных решений.
Распространенными видами повреждений бетонных водоподпорных сооружений (плотин, зданий ГЭС и т. и.) являются коррозионный износ бетона в зоне переменного уровня воды и фильтрация воды сквозь бетон по строительным швам и трещинам с выходом во внутренние помещения или на безнапорную грань. Такая фильтрация воды сопровождается обычно выщелачиванием бетона и вследствие этого ослабляет бетонные конструкции. За последние годы вопросам влияния фильтрации сквозь бетон на прочность и долговечность конструкций уделяется большое внимание, проводится ряд натурных исследований, в том числе на длительно находящихся в эксплуатации бетонных сооружениях Ондской и Иркутской ГЭС. Однозначной оценки этих процессов пока сделать нельзя, однако выявленные случаи снижения прочности бетона указывают на необходимость серьезного внимания к фильтрации сквозь бетон на всех сооружениях, где она наблюдается.
Для бетонных водосбросных сооружений характерны кавитационные повреждения поверхностей бетона, подверженных воздействию высокоскоростного потока. В частности, наблюдались повреждения бетона в затворных камерах (Бухтарминская ГЭС), бетонных и металлических поверхностей глубинных водосбросов (Волжская ГЭС имени В. И. Ленина, Красноярская ГЭС), бетонной поверхности водослива (Братская ГЭС) и другие случаи. По данным наблюдений и специальных исследований кавитационные повреждения возникают и усиленно развиваются при наличии нарушений гладких поверхностей, плохообтекаемых профилей водоводов, при неудовлетворительной работе специальных противокавитационных устройств. В связи с этим при проектировании нельзя допускать применения конструкций водосбросных сооружений, даже временных, заведомо (по опыту других объектов) подверженных кавитационному разрушению, а в период строительства — ослаблять требования к качеству работ на сооружениях, подверженных воздействию потока с высокими скоростями.
Для водосбросных сооружений характерны также случаи повреждения крепления нижнего бьефа и размыва русла за ними. Следует отметить, что большая часть таких повреждений происходит в период временной эксплуатации, когда вследствие неполной готовности водосбросных сооружений допускается сосредоточенный выпуск воды на отдельных участках водосбросного фронта. В частности, случаи неправильного управления работой водосбросных сооружений при эксплуатации отмечались на Дубоссарской ГЭС.
Нередко затруднения в эксплуатации бетонных сооружений вызывает ненадежное состояние уплотнений деформационных швов, в частности, асфальтобитумных шпонок. При неудовлетворительной работе уплотнений с течением времени усиливаются протечки по швам, наблюдается вытекание битумной массы, восполнение которой часто оказывается невозможным либо из-за дефектов устройств для прогрева мастики в шпонках, либо из-за того, что шпонки заполнены легкими и малотекучими материалами. Как правило, наибольший эффект при восстановлении уплотнений достигается при устройстве новой шпонки. В некоторых случаях (Усть-Каменогорская ГЭС) положительный результат был достигнут после замоноличивания деформационного шва инъекцией цемента, однако такой способ допустим только в случае полной стабилизации (прекращения) осадок и отсутствия температурной деформации сооружения. На ряде гидроузлов (Кременчугская, Красноярская ГЭС) неплохо зарекомендовали себя безбитумные уплотнения деформационных швов, распространенные пока еще очень мало.
Деформации бетонных сооружений, за редким исключением, не выходят за пределы проектных значений. В отдельных случаях, однако, возникла необходимость в проведении мероприятий по устранению необратимых деформаций подпорных стен, вызванных сезонным колебанием температур и подвижностью обратной засыпки, в связи с чем были внесены необходимые коррективы в методы расчета этих конструкций.
Для плотин из грунтовых материалов наиболее часты повреждения креплений напорных откосов, выполненных из камня и бетонных плит, а также повреждения низовых откосов и гребня вследствие образования промоин при отсутствии защитного покрытия или удовлетворительной ливнеотводной сети. Эти повреждения отвлекают значительные средства и трудозатраты эксплуатационного персонала. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту решения подобных вопросов, к ним должно быть привлечено внимание и проектировщиков и строителей.
Более серьезные проблемы, с точки зрения безопасного состояния грунтовых плотин, возникают при нарушении их фильтрационного режима. Эти нарушения проявляются в выходах фильтрационного потока на поверхность низового откоса выше обратного фильтра, в выносе грунта из тела плотины в дренажи и заилении последних, в возникновении в теле и основании плотин участков с повышенным фильтрационным расходом. Выходы фильтрующейся воды на низовой откос наблюдались на Павловской, Иовской и Атбашинской ГЭС; суффозия в дренаж наблюдалась на левобережной плотине Братской ГЭС и на Горьковской ГЭС; участки с сосредоточенной фильтрацией имеются на правобережной плотине Братской ГЭС, на Малоульбинской (грунтовой) плотине и других гидроузлах. Наблюдаются и другие случаи нарушения фильтрационных режимов. Во всех этих случаях организуются ремонтные работы по восстановлению или устройству новых водоупорных конструкций (экранов, диафрагм, завес и др.) и дренажей.
Надежными в эксплуатации показывают себя каменнонабросные плотины благодаря своим высоким деформационным и прочностным свойствам. Опыт эксплуатации таких плотин у нас в стране пока еще невелик, особенно высоких каменно-земляных плотин. Тем не менее в ряде случаев возникают эксплуатационные трудности из-за применения отдельных недолговечных конструкций: деревянных экранов (Малоульбинская, Широковская плотины), каменной пригрузки по асфальтовому экрану (Нижнетуломская плотина) и т. и. Возведение сверхвысоких каменно-земляных плотин выдвигает необходимость контроля за их поведением в течение ряда лет; в первую очередь должен устанавливаться тщательный контроль за напряженно-деформированным состоянием материалов тела плотины и особенно ядер, экранов, переходных зон.
Основные виды повреждений водоподводящих каналов — это повреждения облицовки в зоне колебания уровней воды, оползни и обрушения незащищенных откосов, вынос грунта из-под облицовки откосов, засорение русл обвалившимся или смытым со склонов выемок грунтом. В насыпных дамбах каналов иногда наблюдаются просадки и выходы фильтрующейся воды на сухой откос. Необходимо отметить, что перечисленные, казалось бы, незначительные повреждения каналов, как правило, непосредственно влияют на работу гидроэлектростанций, поскольку они снижают пропускную способность каналов и ограничивают тем самым выработку электроэнергии и мощность ГЭС. Кроме того, почти неизбежна остановка гидроэлектростанции при ремонте каналов, что также снижает энергетические показатели гидроузла. Поэтому к проектированию, строительству и эксплуатации каналов должны быть предъявлены особые требования в части эксплуатационной надежности применяемых конструкций. К сожалению, в ряде случаев наблюдается тенденция к упрощению конструкций защитных одежд каналов, вплоть до применения незащищенных русл. Это приводит в дальнейшем к ограничениям в работе ГЭС и к увеличению эксплуатационных затрат.
Для туннелей характерны повреждения облицовки в виде трещин и раскрытых швов, как правило, кольцевых, что приводит к фильтрации воды за облицовку. Иногда, после некоторого периода эксплуатации, увеличиваются гидравлические потери в туннелях из-за ухудшения состояния облицовки или ее обрастания.
Металлические напорные трубопроводы в эксплуатации требуют постоянного внимания к смещению опор, вибрации оболочки коррозионному износу. В практике эксплуатации отмечены несколько случаев разрыва оболочки трубопроводов, причем в некоторых случаях одной из причин разрыва было старение металла. Поэтому одним из важных направлений в ближайшие годы должно стать изучение состояния металлоконструкций, находящихся в эксплуатации в течение длительного времени, причем это касается не только металлических трубопроводов, но и затворов, решеток, подъемных механизмов.
Для надежной эксплуатации гидроузлов весьма важным условием является постоянная готовность к работе водосбросных сооружений. На большинстве гидроузлов этим сооружениям уделяется самое серьезное внимание: осуществляется постоянный контроль за состоянием затворов, их уплотнений, подъемных механизмов; внедряются мероприятия по защите затворов от обмерзания в морозный период и по обеспечению их подъема при необходимости в любое время года; накоплен большой опыт по защите затворов от коррозии и т. д. Однако на отдельных гидроузлах наблюдаются неисправности водосбросов, связанные обычно либо с неудачной конструкцией затворов и подъемных устройств, либо с упущениями в эксплуатации (усиленная, коррозия, заиление). Во всех этих случаях осуществляются ремонтно-восстановительные мероприятия.
Большую роль в повышении надежности гидротехнических сооружений, в своевременном предупреждении их повреждений и в снижении в целом затрат на ремонт и восстановление играет организация постоянной системы надзора. В целом надзор за безопасностью гидротехнических сооружений включает комплекс мероприятий, направленных на организацию и проведение постоянных наблюдений за состоянием строящихся и эксплуатируемых сооружений, осуществление контроля за соблюдением норм и правил строительства и эксплуатации, а также на своевременное выявление и устранение повреждений и аварийных ситуаций и на своевременное выполнение планово-предупредительных ремонтов. Главной целью надзора является постоянное обеспечение безопасности и надежности гидротехнических сооружений. Конкретные задачи надзора определены утвержденным Минэнерго СССР в 1981 г. «Положением об отраслевой системе надзора за безопасностью гидротехнических сооружений электростанций».
В настоящее время основным звеном в системе надзора за гидросооружениями является гидроэлектростанция. На всех гидроэлектростанциях имеется персонал, осуществляющий наблюдения за гидротехническими сооружениями. В течение последних лет серьезное внимание было уделено обеспечению этого персонала современными методическими материалами и инструкциями по организации и проведению эксплуатационных наблюдений за гидросооружениями, в том числе был пересмотрен соответствующий раздел «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей», выпущены новые типовые инструкции по эксплуатации гидросооружений, включающие специальные разделы по контролю, утвержден ряд положений по организации работы персонала гидроэлектростанций и др.
На персонале гидроэлектростанций лежит ответственность за выполнение необходимых ремонтов, устранение возникающих повреждений гидросооружений. Частично эта работа выполняется собственными силами гидроэлектростанций, однако с каждым годом увеличивается доля участия в ремонте подрядных организаций.
Большую помощь гидроэлектростанциям в анализе состояния гидротехнических сооружений и в определении мер по повышению их надежности оказывают научно-исследовательские, проектные и наладочные организации. Объем этой помощи за последние годы увеличился. Ряд гидроэлектростанций, в основном наиболее крупных, имеет постоянно действующие договоры на техническую помощь в наблюдениях за сооружениями и анализе результатов наблюдений, другие же получают помощь в решении конкретных вопросов, связанных с надежностью гидросооружений.
Существенным изменением в организации надзора за безопасностью гидротехнических сооружений гидроэлектростанций в течение последних десяти лет явилась организация систематических обследований гидротехнических сооружений всех энергетических и комплексных гидроузлов с периодичностью не реже 1 раза в 5 лет. Целью таких обследований является оценка состояния гидросооружений на основании материалов регулярных наблюдений, проверка соблюдения при эксплуатации гидросооружений действующих норм и правил, определение первоочередных мероприятий по повышению надежности, устранению недостатков в организации эксплуатации и контроля за гидросооружениями. Для обследования назначается комиссия, составляемая из высококвалифицированных специалистов — представителей эксплуатирующих, проектных, научно-исследовательских, строительных и других организаций.
Таким образом, сочетание централизованной и местной форм надзора за безопасностью гидротехнических сооружений создает основу действующей отраслевой системы. Головной организацией отрасли в этой системе является производственное объединение «Союзтехэнерго», контрольные функции выполняет Государственная инспекция по эксплуатации электростанций и сетей.
Первой задачей надзора за безопасностью гидротехнических сооружений является организация контроля за их состоянием путем натурных наблюдений в период строительства и эксплуатации. Налаженный контроль позволяет заблаговременно обнаруживать неполадки в работе и состоянии гидросооружений, анализировать эксплуатационные качества, надежность и долговечность сооружений и их отдельных конструкций, оценивать эффективность принимаемых проектных решений и технологии строительства. На основе данных натурного контроля разрабатываются наиболее экономичные и эффективные способы выполнения ремонтных работ. Примером использования результатов натурных наблюдений является назначение мер по ликвидации неблагоприятного фильтрационного режима в основании бетонной плотины Днепровской ГЭС, возникшего после ее восстановления, и назначение способов омоноличивания разуплотняющейся скалы в основании Братской ГЭС с последующим контролем за эффективностью принятых мер.
Для контроля за состоянием гидротехнических сооружений используется контрольно-измерительная аппаратура, на разработку, изготовление и установку которой затрачиваются большие средства. В крупные ответственные гидросооружения закладывается до нескольких тысяч различных приборов и устройств, позволяющих контролировать их напряженно-деформированное состояние, фильтрационный режим, динамические (в том числе сейсмические) воздействия и другие параметры. Для того чтобы в таких условиях получать оперативные данные о показаниях аппаратуры, в последние годы начали внедряться автоматизированные системы измерений с применением записывающей (регистрирующей) аппаратуры, а в некоторых случаях и анализаторов. Создание таких систем потребовало разработки новых видов датчиков, закладываемых в сооружения, внедрения электронных вычислительных машин, а также создания необходимого математического обеспечения.
Правила технической эксплуатации и типовые эксплуатационные инструкции определяют основные требования к организации натурного контроля на действующих электростанциях. Основные положения сводятся к следующему объем контрольно-измерительной аппаратуры, устанавливаемой на гидротехнических сооружениях, определяется в проекте гидроузла и зависит от класса капитальности гидросооружения; на сооружениях IV класса, как правило, достаточен визуальный контроль, и специальная аппаратура может не устанавливаться (кроме плотин высотой более 15 м). В период эксплуатации в зависимости от состояния сооружения объем наблюдений и состав контрольно-измерительной аппаратуры может быть сокращен или увеличен. Последнее можно проиллюстрировать примерами Бухтарминской и Камской ГЭС.
На первой удовлетворительное состояние сооружений, отсутствие сложных процессов в сооружениях и основании, стабилизация деформаций и осадок позволили сократить объем наблюдений, изменив их периодичность. На Камской ГЭС, наоборот, необходимость серьезного внимания к режиму основания, подверженного химической суффозии, потребовала усиления контроля за сооружениями, установки дополнительной новой аппаратуры, расширения программы наблюдений.
Существенное место в контроле за гидросооружениями отводится визуальным наблюдениям. В настоящее время выпущены специальные методические указания, имеющие целью систематизировать этот вид наблюдений, сделать его более эффективным для анализа долголетней работы гидросооружений. Основное требование к визуальным наблюдениям заключается в строгом делении каждою сооружения на участки осмотра и в систематической регистрации в журнале наблюдений всех изменений, происходящих на каждом из участков. При визуальных наблюдениях рекомендуется использовать переносные приборы и инструменты для простейших измерений (например, определения прочности поверхности бетона, влажности грунта и т. п.).
На основании результатов наблюдений и осмотров гидротехнических сооружений намечают объемы ремонтных работ, имеющих целью устранение возникающих повреждений и повышение надежности сооружений. Основные принципы организации ремонтных работ определены «Положением о проведении планово-предупредительного ремонта производственных зданий и сооружений» Госстроя СССР, предусматривающим выполнение двух видов ремонтов (капитальных и текущих), их планирование и порядок финансирования.
Анализ данных о фактических ремонтных затратах на гидросооружениях гидроэлектростанций показал, что они составляли в начале 70-х гг. около 0,12% балансовой стоимости этих сооружений, или 0,135 руб/кВт установленной мощности ГЭС и по некоторой части сооружений уже тогда несколько превышали норматив амортизационных отчислений. За последующие годы, в связи с повышением внимания к состоянию гидросооружений и более правильным определением объемов и планированием ремонтных работ затраты на капитальный ремонт гидросооружений возросли. Так, в 1971—1974 гг. фактические затраты составляли уже 0,14% балансовой стоимости, или 0,195 руб/кВт, в то время как нормативные отчисления на капитальный ремонт гидросооружений в этот же период составляли 0,29 руб/кВт. Таким образом, для ремонта гидросооружений гидроэлектростанций использовалось около 2/3 средств, предусматриваемых для этой цели. В дальнейшем тенденция к росту затрат на капитальный ремонт гидросооружений сохраняется, при этом затраты по сооружениям, давно находящимся в эксплуатации (в основном на малых и средних ГЭС), превышают нормы амортизации. По-видимому, принятое в прошлом нормирование амортизационных отчислений на основании опытно-статистических данных в условиях недостаточного внимания энергоуправлений к состоянию гидросооружений привело к занижению этих норм. В будущем, имея в виду, что рост гидротехнического строительства приводит одновременно к росту объема износа основных фондов, необходимо разработать научные принципы нормирования затрат на ремонт и привести их в соответствии с реальным износом сооружений. При этом представляется целесообразным дифференцировать нормативы отчислений не только по типам сооружений, но и по продолжительности их работы.
Ремонтные работы на гидросооружениях обладают определенной спецификой, связанной, в первую очередь со значительным числом видов ремонтно-строительных работ и с условиями их выполнения на «работающих» сооружениях, с которых не снят напор воды, при действии фильтрации, протечек, ограниченных сроках ремонта и т. и. К наиболее часто повторяющимся ремонтным работам на гидросооружениях можно отнести следующие: инъекционные работы с целью устранения фильтрации и протечек в бетонных сооружениях; восстановление дренажных конструкций всех видов; ремонт поврежденных бетонных поверхностей (на бетонных сооружениях, а также на откосах грунтовых плотин, каналов и т. и.); защита металлоконструкций от коррозии; ликвидация просадок, оползней и т. и. на грунтовых сооружениях и ряд других. В зданиях ГЭС выполняется традиционный состав работ, характерный для производственных зданий всех назначений — ремонт стен, кровли, перекрытий и т. д.
Для того чтобы обеспечить необходимые условия для выполнения разнообразных ремонтных работ, в проектах гидроэлектростанций закладываются соответствующие ремонтные базы, определяются средства механизации. Существенно возросший в последние годы объем выполнения ремонтных работ централизованным способом с привлечением подрядных организаций является прогрессивным, обеспечивает за счет специализации и лучшего материально-технического оснащения более высокую производительность труда. Поэтому одной из важных задач по повышению надежности и долговечности гидросооружений является совершенствование и развитие централизованных ремонтных предприятий в различных зонах страны.
