Глава вторая
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОСУЩЕСТВЛЕНИИ Саяно-Шушенской ГЭС
- ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС
Саяно-Шушенская ГЭС осуществляется как уникальное по размерам и сложности возведения гидротехническое сооружение. Впервые в мировой практике строится в суровых климатических условиях Сибири высоконапорная арочно-гравитационная плотина. Ее конструкция, конструкции водосбросных устройств, здания гидроэлектростанции не имеют аналогов в отечественной и мировой практике.
ПЛОТИНА
Исследования и изыскания определили оптимальную возможность строительства высоконапорного сооружения в Карловском створе. Район створа гидроузла сложен прочными кристаллическими метаморфическими сланцами. Эти породы в основании сооружений в различной степени трещиноваты. Расчетная сейсмичность района створа для основных гидротехнических сооружений составляет VII баллов. Геологические и топографические условия благоприятствовали строительству плотины арочно-гравитационного типа. Устойчивость плотины подобной конструкции под напором воды обеспечивается не только собственным весом, но и упором в берега. Такая конструкция позволила на 2 млн. м3 уменьшить объем бетонной кладки по сравнению с плотиной гравитационного типа. Заметим, что в плотину Братской ГЭС уложено 4,4 млн. м3 бетона.
На пути Енисея воздвигается бетонная плотина - гигант высотой в 242 м, шириной по гребню 25 м, по основанию 105,7 м, длиной 1066 м. По высоте плотина Саяно-Шушенской ГЭС уступает в СССР только плотине Ингурской ГЭС. Среди самых больших плотин в мире она занимает четвертое место.
Величавая арка плотины, очерченная широкой дугой, опирается на берега каньона и его скальное дно. У правого берега на поверхности арки — водосброс. На левой части плотины расположены десять водоводов, подводящих воду к турбинам гидроэлектростанции.
Плотине придали цилиндрическую форму с постоянной толщиной арок. Такая форма не случайна: она дает меньший объем бетонной кладки и равномерную напряженность бетона в теле плотины.
Рис. 5. Такой сегодня представляется Саяно-Шушенская ГЭС архитекторам Ленгидропроекта.
Верхняя часть плотины высотой 80 м представляет собой ряд одноцентровых круговых арок. По напорной грани у них постоянный радиус 600 м. Нижняя часть плотины состоит из трехцентровых круговых арок. Центральный участок образован концентрическими арками.
Низовой грани плотины в нижней части придан уклон 1:0,7, в средней части -переменный уклон с осредненным значением l:0,25 и в верхней - l:0,05. Пяты арок имеют ломаную форму.
Для устойчивости и надежности плотина сцеплена с берегами. Она врезана в здоровую скалу левого и правого бортов соответственно на глубину 15 и 10 ,м. Сопряжение плотины с основанием в русле произведено врезкой до прочной скалы на глубину 5 м.
Условия производства бетонных работ вызвали необходимость разрезать плотину на секции. Ширина их по напорной грани 15,8 м. Секции в свою очередь в поперечном сечении разделены на столбы длиной 27 м. Монолитность и прочность плотины обеспечивается цементацией радиальных и продольных швов.
Рис. 6. План гидроузла.
1 — глухая правобережная часть плотины; 2 — водосбросная часть плотины; 3 — бетонная перемычка; 4 — станционная часть плотины; 5 — глухая левобережная часть плотины; 6 — плита водобойного колодца; 7 — раздельный устой; 8 — рисберма; 9 — расчистка; 10 — водобойная стенка; 11 — правобережная подпорная стенка; 12 — здание ГЭС; 13 — турбинные водоводы; 14 — монтажная площадка; 15 — трансформаторная мастерская; 16 — крепление потенциально неустойчивых массивов; 17 — служебно-технологический корпус; 18 — производственно-бытовой корпус; 19 — левобережная подпорная стенка; 20 — транспортный туннель; 21 — кабельный туннель; 22 — причал для разгрузки рабочих копес турбин; 23 — водоотвод р. Карловой; 24 — площадка ОРУ 500 кВ; 25 — вспомогательные здания ОРУ; 26 — щитовой блок; 27 — хозяйственный двор.
Рис. 7. Водосбросная часть плотины (разрез).
1 — козловой кран грузоподъемностью 500/63/5 т; 2 — эксплуатационный водосброс; 3 — гидропривод грузоподъемностью 900 т; 4 - строительные водосбросы II яруса; 5 — донные водосбросы; 6 — глубокая цементация; 7 — скважины глубокого дренажа; 8 — площадная цементация; 9 —паз-аэратор: 10 — раздельный устой; 11 — плита водобоя; 12 — водобойная стенка; 13 — рисберма.
Каждая часть плотины выполняет определенные функции. В одной пропускаются эксплуатационные и строительные расходы воды через гидроузел. Вторая служит для подвода воды к гидротурбинам. Соответственно конструктивные решения строго учитывают эти функции и делят плотину на основные части — водосбросную, станционную и глухие береговые.
Водосбросная часть плотины. Длина водосбросной части 189,6 м. Она расположена в правобережной части реки в пределах котлована первой очереди. В этой части предусмотрены три яруса водосбросных отверстий. Два нижних — временные. Через них по мере подъема уровня воды в водохранилище поочередно пропускаются строительные расходы. А потом временные отверстия заделываются бетоном.
При постоянной эксплуатации гидроэлектростанции работает верхний ярус водосбросов. Через них осуществляются холостые сбросы в паводок. Водосброс имеет 11 отверстий, которые рассчитаны на пропуск 13 600 м3 /с (с форсированием уровня водохранилища на 4,5 м над НПУ). Отверстия заглублены на 61 м под НПУ.
Первый ярус временных строительных водосбросов состоит из 10 отверстий, из них девять имеют сечение на выходе 5,3X11,0 м. Все они расположены у основания плотины и служат для пропуска расходов при перекрытии русла. Затем при максимальной глубине верхнего бьефа над порогом 50 м через эти отверстия пропуекают паводковые расходы. До заполнения водохранилища к пуску первого агрегата отверстия заделываются бетоном. Водозаборы этих отверстий вынесены в верхний бьеф и оборудованы двумя рядами плоских затворов: основными и аварийно-ремонтными. Они обслуживаются перемещающимся по специальной эстакаде козловым краном грузоподъемностью 700 т.
Десятое отверстие первого яруса — попусковое. У него повышен порог на 18 м по сравнению со строительными отверстиями первого яруса. Выходное сечение 5Х5 м. Специальный гидропривод управляет сегментным затвором, расположенным на выходе. Задача этого отверстия иная, чем у основных девяти. Оно тоже участвует в пропуске паводковых расходов при напоре до 100 м, но после заделки основных отверстий первого яруса обеспечивает санитарные попуски в нижний бьеф.
Второй ярус строительных водосбросов включает восемь отверстий размером 6Х7,6 на выходе. Отверстия оборудованы одним рядом плоских затворов, которые обслуживаются гидроподъемниками. Они установлены в специальных глухих железобетонных камерах, примыкающих к верховой грани плотины. Шесть основных отверстий с отметкой порога 388 м работали при пропуске половодья 1979—1980 гг., а два на отметке 407 м включаются только при пропуске паводка 1980 г. Шесть основных отверстий служат для пропуска строительных расходов при напорах на плотину до 150 м.
Рис. 8. Механическое oбopyдoвaниe донных отверстий. Основные затворы подняты. Справа - отверстие пускового водосброса.
Эксплуатационные водосбросы, расположенные в верхней части тела плотины, образованы безнапорным водоводом. Однако, прежде чем подробно остановиться на их конструкции, вернемся к истории их создания. Каждое оригинальное решение стоит огромного творческого труда многих коллективов, раздумий и поисков. Так было и в этом случае...
Первоначально предполагалось кроме двух рядов затворов на входе установить сегментные затворы на выходе водовода из тела плотины, что обеспечивало работу водосброса в напорном режиме. Ученые и конструкторы ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева, НИС Гидропроекта имени С. Я. Жука и СКБ «Мосгидросталь» провели комплекс исследований, который позволил найти лучшее решение. Проектировщики Ленгидропроекта и конструкторы СКБ «Ленгидросталь» разработали на основе этих исследований оригинальную конструкцию эксплуатационных водосбросов, позволяющую получить безнапорный режим в водоводе. Это дало возможность отказаться от сегментных затворов.
Водосбросы оборудованы основными и аварийно-ремонтными плоскими затворами на входе. Основные — обслуживаются гидроподъемниками, расположениями в специальных помещениях на гребне плотины. Козловые краны с гребня плотины будут поднимать и опускать аварийно-ремонтные затворы, маневрировать ими при ремонтах основных затворов и гидроподъемников.
Сечение водоводов на входе и выходе различное: вход 6X8 м, выход 7X5 м. Водоводы облицовываются на входе металлом полностью.
По условиям производства работ облицовка дна водоводов нежелательна, поэтому было решено «оторвать» поток от дна и «прижать» его к потолку. Для этого в днище за порогом основного затвора устроили уступ и подали под него воздух. Такое оригинальное решение позволило ограничиться облицовкой металлом только потолка и стен водоводов.
Четырехметровые носки-трамплины завершают водосбросы. На сходе с этих трамплинов скорость потока достигает 55 м/с. Дно и стенки водосливных лотков требуют защиты от кавитационной эрозии. Ученые и проектировщики упорно искали, как уменьшить вредное воздействие разрушительных сил потока на бетон. Предусмотрен комплекс мероприятий: применение кавитационно-стойких марок бетона, аэрация придонных и пристенных слоев потока, к качеству выполнения поверхностей предъявляются повышенные требования.
Вопрос гашения энергии потока, сбрасываемого через холостой водосброс, для Саяно-Шушенской ГЭС оказался сложным. Энергия холостых сбросов в нижний бьеф в эксплуатационный период достигает 25 млн. кВт. Она гасится в специальном водобойном колодце. Чтобы сделать такой колодец, в конце его устраивается водобойная стенка высотой 19 м. При этом дно не заглубляется ниже подошвы плотины. Боковые стены колодца образованы с левой русловой стороны реки раздельным устоем, а с правой — береговой подпорной стенкой. Раздельный устой в строительный период успешно служил продольной перемычкой котлована второй очереди.
Форма колодца обусловлена радиальным расположением водосброса в арочно-гравитационной плотине. Если посмотреть на колодец в плане, видно сужение по длине (от 131 до 112,6 м). Такая форма положительно влияет на устойчивость потока. Вся длина его до водобойной стенки равна 144 м. Дно колодца закрепляется бетонными плитами трехметровой толщины, заанкеренными в скалу. Наибольшая глубина в колодце перед стенкой при пропуске расчетного расхода достигает 46 м.
В колодце поток теряет значительную часть своей энергии. За водобойной стенкой его скорость составляет в среднем 6 м/с.
За водобойной стенкой дно реки крепится на длине 60 м бетонными плитами толщиной 2,5 м. Завершается крепление бетонным зубом, врезанным в основание на 7 м. Устройство водобойного колодца позволило обеспечить независимые гидравлические условия работы гидроэлектростанции при сбросах расходов через плотину.
Рис. 9. Водобойный колодец перед затоплением котлована первой очереди. Слева - гребенка плотины, справа - заштрабленная водобойная стенка. Начало октября 1975 г.
Станционная часть плотины расположена в левобережной части русла реки; общая длина 331,8 м. Она состоит из 21 секции. В этой части плотины устраиваются водоприемники гидроэлектростанции. Индивидуальный подвод воды к гидроагрегатам осуществляется от десяти постоянных водоприемников по напорным турбинным водоводам. Водоводы расположены на низовой грани плотины.
Постоянные водоприемники имеют порог, заглубленный на 62 м под НПУ. К ним под углом 20° к горизонту подходят водоводы. Для перехода от прямоугольного сечения водоприемника к круглому сечению водовода диаметром 7,5 м создана специальная камера.
Входные отверстия перекрываются двумя рядами плоских затворов. Основные затворы - быстродействующие - снабжены индивидуальным гидроприводом. Аварийно-ремонтные затворы устанавливаются по мере надобности козловым краном, передвигающимся по гребню плотины. Пазы основного затвора располагаются в теле плотины. Конечно, они ослабляют ее. Это ослабление компенсируется утолщенной напорной стенкой, которая отделяет пазы основного затвора от пазов аварийно-ремонтного. Пазы аварийно-ремонтного затвора вынесены в сторону верхнего бьефа и защищены забральной стенкой.
Почти на 17 м выступает за напорную грань в верхний бьеф консоль, поддерживающая сороудерживающие решетки. Расположены они в виде полукруга, что позволяет снизить скорости перед решетками до 0,8 м/с. Отдельные секции решетки пролетом 4,5 м установлены в пазах железобетонных бычков. При сработке водохранилища на глубину до 20 м секции можно извлечь козловым краном, обслуживающим затворы.
Для ввода гидроагрегатов на пониженных напорах устраиваются временные водоприемники. Они позволяют работать двум первым агрегатам при напоре 60 м, а четырем последующим - начиная от 120 м.
Временные водоприемники конструктивно решены в виде железобетонной камеры, выступающей за профиль плотины в верхний бьеф. В камере находится затвор, снабженный гидроприводом. На входах водоприемников установлены глухие металлические выносные сороудерживающие решетки полуциркульного очертания в плане.
Напорный трубопровод временных водозаборов диаметром 7,5 м проложен в теле плотины горизонтально и сопрягается с прямоугольным входом водоприемника переходной металлической камерой. Kaмера и напорный водовод соединены через временное металлическое колено со стальной оболочкой постоянного обетонированного трубопровода. Когда в эксплуатацию вступят постоянные водоприемники, временные колена будут заменены обетонированными водоводами.
Противофильтрационные мероприятия и омоноличивание плотины. Серьезную опа,сность для плотины представляет фильтрационное противодавление. Для его снижения приходится принимать радикальные меры. В качестве такой меры в основании плотины у верховой грани предусмотрена противофильтрационная цементационная завеса на глубину 100 м и дренаж в виде скважин глубиной до 60 м.
Сплошная водонепроницаемая плита водобойного колодца расположена ниже подошвы водосбросной части плотины, из-за чего может возникнуть избыточное фильтрационное давление на подошву этой части плотины. Чтобы снять его, в начале колодца из специальной галереи устраивается вторая линия глубинного дренажа основания.
Перед русловой станционной частью плотины выполняется пятнадцатиметровая плита-понур с цементационной завесой в начале ее. Плита-понур сопрягается с плотиной битумной шпонкой и перекрывается пятиметровым слоем суглинка. Такое решение позволяет в случае нарушения контакта подошвы плотины с цементационной завесой восстановить цементацией его монолитность.
Оригинален дренаж тела плотины. Дрены устраиваются горизонтальными поверх каждого яруса бетонирования через 3 м. Они выводятся в вертикальные смотровые шахты в межсекционные швы. Шахты в свою очередь связаны с основными продольными галереями.
Рис. 10 . Вид на плотину со стороны верхнего бьефа. Слева - временные водоприемники первого и второго гидроагрегатов. Ноябрь 1978 г.
Чтобы выровнять податливость и укрепить ослабленные зоны основания, предусмотрена площадная цементация его. На русловом участке плотины с учетом различной нагрузки на основание глубина цементации принята: под низовыми столбами 30 м и 15 м под средними. В береговых примыканиях глубина цементации меньше. На правом берегу она выполняется выборочно под отдельными секциями. Оправдано это качеством скалы, которая здесь надежнее.
Ряд конструктивных решений принят из соображений обеспечения благоприятных условий производства работ. Для цементации основания, например, по межсекционным швам у подошвы плотины устроены галереи. Они соединены с основной цементационной галереей, проходящей параллельно напорной грани. Бортовые примыкания цементируются из штолен протяженностью до 100 м, расположенных по высоте в три яруса. Из них же бурятся скважины берегового дренажа. Продольные смотровые галереи устроены в плотине по высоте с интервалом 27 м. Эти галереи, а также поперечные вдоль межсекционных швов в строительный период используются для прокладки системы охлаждения бетона и цементации швов.
Для сообщения между галереями и выхода на гребень плотины строятся лестницы и три лифта по концам водосбросной и станционной частей плотины и между ними.
Межсекционные и межстолбчатые швы плотины цементируются после охлаждения бетона до +7°С. Учитывая поэтапное возведение плотины и наполнение водохранилища в наиболее ответственных, напряженных зонах швы подвергаются повторной цементации. С напорной стороны межсекционные швы уплотняются двумя рядами латунных диафрагм.
У основания на верхней грани плотины, где возможны растягивающие напряжения до 1,5 МПа, предусмотрено армирование, а в горизонтальных строительных швах устанавливаются латунные диафрагмы.
Прочность плотины. Для оценки напряженного состояния плотины использовались различные методы теоретических расчетов и исследовались крупные модели - в 1:125 натуры, уникальные по сложности и точности воспроизведения конструкции, геологии основания, последовательности строительства и загрузки плотины. Результаты модельных исследований подтвердили теоретические расчеты. Вода давит на плотины с силой 170 млн. кН. Около 60% всей гидростатической нагрузки воспринимает плотина как гравитационное сооружение, остальные 40% арки передают на берега. Напряженное состояние плотины характеризуется высоким уровнем сжимающих напряжений в бетоне. На каждый сантиметр бетона у основания низовой грани и в верхних арках действует сила до 1,1 кН.
Модельные испытания показали, что плотина может разрушиться только при четырехкратном повышении расчетной гидростатической нагрузки. Таким образом запас прочности вполне убедительный.
В плотинах арочно-гравитационного типа бетон сжат с двух сторон. В этом случае он разрушается под воздействием больших нагрузок, чем при давлении с одной стороны. Исследования такой особенности работы бетона в плотине позволили принять новые критерии оценки его прочности. По предложению специалистов ВНИИГа имени Б. Е. Веденеева и Ленгидропроекта осуществлено зональное распределение бетона по маркам «200» - «250» - «300» вместо «250» - «300» - «350», что позволило значительно сократить расход цемента.
Для приготовления бетона в качестве крупнота заполнителя применяется местный гравий. Только высокопрочный кавитационно-стойкий и морозостойкий бетон марки «400» приготовляется на щебне. Это дает высокую степень сцепления заполнителя с цементным камнем.
В результате комплексных научных исследований, проектных разработок, высокого качества строительных работ создана арочно-гравитационная плотина с максимальным использованием несущей способности бетона. В теле плотины, несмотря на высокие напряжения в бетоне, устроены многочисленные отверстия для подвода воды к турбинам и пропуска расходов, достигающих суммарно 15 900 м3/с.
Расход бетона на 10 кН сдвигающего плотину усилия воды снижен до 0,52 м3 против 0,76 м3 в плотинах Братской и 0,84 Красноярской ГЭС.
