книги из ГПНТБ / Швайнштейн А.М. Водосбросы зарубежных гидроузлов с высокими бетонными плотинами

КОНТРОЛЬНЫЙ зкз.

А- М-Ш ВАЙНШ ТЕЙН

В О Д О С Б Р О С Ы З Н Р У Б Б Ж К Ы Х Г И Д Р О У З

Министерство энергетики и электрификации СССР

Главниипроѳкт

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

А. М. ШВАЙНШТЕЙН

ВОДОСБРОСЫ ЗАРУБЕЖНЫХ ГИДРОУЗЛОВ С ВЫСОКИМИ БЕТОННЫМИ ПЛОТИНАМИ

Под редакцией доктора т ехн. наук, профессора Ф. Г . Гунько

„ЭНЕРГИЯ“ Ленинградское отделение

1973

УДК 627.53

В работе рассматриваются водосбросы бетонных плотин высотой более 80 м, рассчитанные на пропуск значительных расходов (1000 м3/сек и более). Анализируются условия при­ менения различных типов конструкции водосбросов и схем сопряжения бьефов и гашения избыточной кинетической энер­ гии в случае гравитационных, контрфорсных и арочных пло­ тни. Выявляются наиболее, перспективные типы водосбро­ сов и схем сопряжения бьефов. Освещаются основные труд­ ности эксплуатации водосбросных сооружений гидроузлов, а также мероприятия, позволяющие их избежать.

Работа предназначается для инженеров, занимающихся разработкой и гидравлическими исследованиями компоновок гидроузлов и их водосбросов; она будет полезна студентам старших курсов гидротехнических специальностей при курсо­ вом и дипломном проектировании.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Непрерывный рост гидроэнергетического строительства в СССР ставит новые задачи как перед проектными, так и научно-исследовательскими орга­ низациями страны, особенно в связи со строительством высоконапорных гидро­ узлов таких, как Братский, Красноярский, Чнркейскнй, Саянский, Усть-Илим­ ский II др. При проведении исследований, проектировании, строительстве и эксплуатации этих гидроузлов накоплен значительный опыт, дающий возмож­ ность повысить надежность работы их сооружений и уменьшить стоимость строительства и эксплуатации новых гидроузлов.

Большинство высоконапорных гидроузлов в СССР возводится на много­ водных реках. Поэтому одной из важных задач является проектирование во­ досбросных и водопропускных сооружений гидроузлов, решение этой задачи существенным образом определяет компоновку гидроузла и конструкции его сооружении. Значительный опыт такого проектирования накоплен за рубежом. Однако обсуждение проектов нескольких крупных гидроузлов показало, что, к сожалению, опыт проектирования водосбросных сооружений зарубежных высоконапорных гидроузлов в сущности не обобщен и недостаточно известен широкому кругу инженеров.

Внастоящей работе обобщается опыт проектирования, строительства и эксплуатации водосбросов с пропускной способностью более 1000 м3/сек при гидроузлах с бетонными плотинами высотой более 80 м.

Вработе дается классификация водосбросных сооружений гидроузлов и приводятся некоторые соображения по выбору типа водосбросов и взаимо­ связи между компоновкой гидроузла п конструкцией водосбросных сооруже­ ний; выявляются основные тенденции строительства различных плотин (бе­ тонных и из местных материалов). Затем рассматриваются наиболее харак­ терные случаи применения различных типов водосбросов в составе гидроуз­ лов с гравитационными, контрфорсными и арочными плотинами.

Особое внимание обращается на условия использования различных схем сопряжения бьефов. Анализ показывает, что наиболее распространенными в случае высоких бетонных плотин являются схемы сопряжения бьефов по­ средством донного гидравлического прыжка, расположенного в пределах гладкого крепления (при больших глубинах нижнего бьефа) или в водобой­ ном колодце, и отбросом струй с помощью носков-трамплинов на значитель­ ное расстояние от сооружения. Наиболее широко применяются открытые во­ досбросы, совмещенные с плотиной или размещающиеся в ее боковых при­ мыканиях. В узких створах пропуск паводковых расходов осуществляется и через туннельные водосбросы, а в последнее десятилетие для пропуска зна­ чительных расходов стали использоваться, особенно в случае арочных плотин, глубинные трубчатые водосбросы. Освещаются основные трудности эксплуа­ тации. высоконапорных гидроузлов, а также некоторые мероприятия, приме­ нявшиеся для устранения этих трудностей. Кроме того, приводятся краткие сведения об используемых в практике экспериментальных исследовании ос­ новных методах прогнозирования и предупреждения различного рода за­

3

ВВЕДЕНИЕ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Для рационального расположения рассматриваемого в данной работе ма­ териала необходимо прежде всего нлассііфн!даро.віЦ£^.о^^^ сооружения. Это оказалось необходимым в связи с тем, что имеющиеся в литературе клас­ сификации водосбросных сооружений [2—6] представлялись недостаточно пол­ ными. Водосбросные сооружения гидроузлов целесообразно классифицировать по следующим признакам:

1.По расположению входного участка водосброса по отношению к уров­ ню верхнего бьефа:

а) поверхностные; б) глубинные.

2.По расположению по отношению к руслу реки.

Отличительной особенностью этих сооружений является конструкция во­ досбросного тракта.

.Г По конструкции входных участков водосбросы можно разделить на- а) шахтные водосбросы; б) башенные водосбросы; в) траншейные водосбросы;

г) водосбросы с лобовым забором воды.

Если два первых из указанных типов водосбросов являются, как правило, закрытыми, то два последних могут быть и открытыми, и закрытыми.

Закрытые водосбросы в зависимости от конструкции водосбросного тракта можно подразделить на:

а) трубчатые в теле бетонных плотин или совмещенных гндроэлектро станций;

б) трубчатые в теле плотин пз местных материалов; в) туннельные.

5

Приведенная выше классификация водосбросов по нескольким признакам вряд ли может претендовать на исчерпывающую полноту. Так, например, в ней не нашли своего места сифонные водосбросы, которые, впрочем, не исполь­ зуются при пропуске значительных расходов воды. Чтобы ограничить свою задачу в дальнейшем, укажем также, что в составе высоконапорных гидро­ узлов не используются многоступенчатые перепады, а башенные водосбросы в основном применяются в составе гидроузлов с плотинами из местных мате­ риалов, рассмотрение которых не входит в задачу данной работы. Для настоя­ щей работы представляет интерес классификация водосбросных сооружений по некоторым гидравлическим признакам.

Рис. 2. Схема напорного водосброса

/ —подходной участок; 2 —входной оголовок; 3—водопроводащнй тракт; За - камера затворов с пазами; 36 —огнодящнй участок; (—концевой участок; Я —участок сопраженик с нижним бьефом; О—патпорнаа шахта; 7—иоздуховод.

смотрении водосбросных сооружений представляет собой случаи пропуска максимальных расчетных расходов, на который и основном и обращается вни­ мание в работе.

Перечисленные типы водосбросных сооружений имеют свои особенности, предопределяющие возможность и целесообразность их применения в тех или иных условиях. Выяснение того, в каких условиях, какие типы водосбросных сооружений используются в составе гидроузлов с высокими бетонными пло­ тинами, составляет одну из задач этой работы. Кроме того, в работе рассмат­ риваются и конструкции водосбросных сооружений.

6

Открытые м закрытые водосбросы имеют свои специфичные особенности .

3)тракт водосброса;

4)концевой;

5)участок сопряжения с нижним бьефом.

Вполне естественно, что в конкретных случаях тот или иной участок водо­ сброса может отсутствовать, либо некоторые участки водосброса могут сов­ мещаться. На рис. 1 и 2 показаны водосбросы со схемой сопряжения бьефов, осуществляемой посредством отброса струй. На этих рисунках можно было бы показать и любую другую схему сопряжения бьефов.

2. КОМПОНОВКА ГИДРОУЗЛА И ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Последнее время при проектировании водосбросных сооружений в ряде случаев ориентируются на то, что при пропуске расходов, близких к максималь­ ным расчетным, могут произойти некоторые разрушения тракта водосброса. Это обстоятельство нашло отражение в генеральном докладе по вопросу про­ пуска через сооружения паводковых расходов, сделанном Опьятом на Стам­ бульском конгрессе по большим плотинам [9].

Исходя из того, что некоторые разрушения при пропуске максимальных сбросных расходов возможны, конструкция водосбросных сооружений должна обеспечивать их осмотр и ремонт в меженнпи период.

7

• Ö следующих главах остановимся на изучении примеров компоновки осу­ ществленных и проектируемых гидроузлов. По возможности будем указывать, какими условиями был обусловлен выбор того или иного типа водосброса и какие требования предъявлены к нему при эксплуатации гидроузла.

При изучении зарубежных гидроузлов с бетонными плотинами остановим­ ся на условиях пропуска расходов не только в период эксплуатации гидроуз­ лов, но и в период нх строительства. Использование накопленного опыта про­ ектирования, исследовании, строительства п эксплуатации гидроузлов. и, в частности, их водосбросных сооружении поможет более успешно решать стоя­ щие перед отечественным гидростроительством задачи. Однако следует отме­ тить, что климатические, гидрологические, геологические и топографические условия каждого гидроузла весьма специфичны. Для различных гидроузлов могут значительно отличаться и условия производства работ, оснащение строи­ тельства, возможности изготовления гидромеханического оборудования, кото­ рые иногда предопределяют то или иное решение. Поэтому использование накопленного опыта не должно быть формальным, и нельзя механически пере­ носить удачные примеры на все случаи практики. Весьма поучительны не толь­ ко примеры хорошо запроектированных гидроузлов и водосбросных сооруже­ ний, по явно негативные примеры. Рассмотрение неудачно запроектирован­ ных сооружении позволит в дальнейшем избежать решений подобного рода. При этом следует учитывать [8], что эти решения соответствовали в ряде слу­ чаев предшествовавшему опыту и достижениям науки и техники того времени.

При рассмотрении водосбросных сооружений, влияющих па условия экс­ плуатации всего гидроузла, особое внимание будет обращаться па принятые методы сопряжения бьефов и гашения избыточной квиетической энергии.

3. О НЕКОТОРЫХ ТЕНДЕНЦИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА

ВЫСОКИХ ПЛОТИН

Ввиду того, что в составе гидроузла плотина, как правило, является наи­ более дорогостоящим сооружением, то при рациональном ее выборе может быть достигнута наибольшая экономия. В зависимости от местных условий в разных странах тенденции строительства тех или иных типов плотин прояв­ ляются по-разному.

В Соединенных Штатах Америки наблюдается тенденция к строительству массивных плотин: бетонных гравитационных и особенно из местных материа­ лов. По данным [10] из 100 наиболее высоких строившихся в 1903 г. плотни лишь 8 было бетонных, 18 — из местных материалов с бетонной водосливной частью, а остальные плотины — из местных материалов. Из бетонных плотин, строившихся в 50-х годах в США, лишь 8% составляли арочные (30% в 20-х годах). Малое количество строящихся арочных плотин в США объясняется, с одной стороны, отсутствием в настоящее время благоприятных для арочных плотин створов, а с другой стороны, — трудностью интенсивной механизации бетонных работ при строительстве таких плотин. При наличии благоприятных створов в США было построено в 20—40-х годах значительное количество арочных плотин [11]. В ряде случаев незначительная разница в стоимости яв­ ляется причиной отказа от арочных плотин в пользу гравитационных, если во­ досбросы рассчитаны на большие расходы. Так, например, было с гравитаци­ онной плотиной Дворшак, которая возведена в створе, благоприятном для арочной плотины. Однако, как можно убедиться из табл. 3 приложении, в США в последнее время возведено и строится ряд крупных арочных плотин (Глеи Каньон, Флеминг Гордж, Баундерн, Морроу Пойнт, Буллард Бар п др.).

Другим государством, в котором среди бетонных плотни преобладают гравитационные, является Индия. Для арочных плотин в Индии мало благо­ приятных створов. Гравитационные же плотины в Индии строились ранее из каменной кладки; такие плотины строятся и сейчас, некоторые из них имеют значительную высоту, например, плотина Койна. Преобладание в Индии пло­ тин из каменной кладки объясняется тем, что в условиях этой страны они на 20—30% дешевле бетонных [10, 12]. Последнее время в Индии строят плотины

8

и из бетона (плотина Бхакра). Гравитационные плотины составляли в 60-х го­ дах примерно 40% от всех строящихся плотил Мидии.

В основном бетонные плотины строились в Испании и Японии. В Испании преобладающее большинство бетонных плотин составляют гравитационные плотины. Лишь в последнее время в Испании стали строить высокие арочные плотины (Каннелес, Альмендра, Вилларппо). Земляные плотины почти не при­ менялись в Испании как из-за отсутствия рыхлых материалов, так и из-за от­ сутствия соответствующих механизмов для выполнения строительных работ. Лишь в последнее время стали возводиться некоторые виды плотин из местных материалов. В Японии из плотин высотой более 60 м бетонные плотины со­ ставляют 80%, причем половина из этих плотин являются арочными. Все же и в Японии наблюдается тенденция к увеличению удельного веса плотин из местных материалов.

В странах Западной Европы, за исключением Испании, в последние дватри десятилетня среди бетонных плотин преобладают арочные. Во Франции при строительстве высоких, бетонных плотни используются исключительно арочные плотины. По мнению французских специалистов [13], в частности Жана Белье, гравитационные плотины должны выйти из употребления в ближайшем буду­ щем. В области арочных плотни французскими инженерами используются эко­ номичные решения, которые достигаются размещением в теле плотины здания гидроэлектростанции и водосбросов (плотина Моитейнар и запроектированная французскими специалистами плотина Рейпл в Чили).

Значительное количество арочных плотин построено в Италии [14]. Здесь высокие арочные плотины возводились даже в створах, которые по своим ха­ рактеристикам до недавнего времени считались неблагоприятными (арочногравнтациопиая плотина Пьяве ди Кадоре высотой 89 м имеет отношение ши­ рины створа к высоте плотины 5,6; в резко асимметричной долине возведена плотина Гузаиа).

По сравнению с другими типами высоких плотин строительство арочных плотин преобладает в Португалии [15] и Швейцарии [16, 17].

При проектированитгтіітсипгых-плотйн вТТортугалии в ряде случаев весь­ ма оригинальны решения по пропуску значительных сбросных расходов; удель­ ные расходы на носках-трамплинах водосбросов достигают более 200 м2/сек (гидроузлы Каштелу ду Бодэ и Пнкотэ).

ВШвейцарии недавно построен ряд высоких арочиых плотин (Контра, Габидем, Оигрен и др.).

ВПортугалии, как и во многих странах Европы и в США, в последнее

время увеличилось строительство плотин из местных материалов; некоторые из них достигают значительной высоты, например, камепнонабросная плотина Па­ радела имеет высоту ПО м.

В Восточной Европе высокие плотины строятся в основном в Югославии и Болгарии. Ряд высоких плотин (Арджеш, 166 лі; Биказ. 127 лі, Видрару) воз­ веден в Румынии [18]. Гравитационные плотимы Орлик (77=91 лі) и Солипа (77=80 лі) построены в Чехословакии [19, 20] и Польше [21, 22].

В Югославии высоких гравитационных плотин, кроме облегченной плотины Байна-Башта, не строилось, но был построен ряд высоких арочных плотин (Гранчарево, 123 лі; Ябланица, 85 лі; Глажань, 84 -и), а также запроектирована и сооружается арочная плотина Мратине (Я=215 лі) и разрабатываются про­ екты арочных плотин Бук-Бнела (77=200 лі), Тысно (77=119 лі), Коныщ (77= = 133 лі), Улог (77= 151 лі), Чебреи (77=160 лі) и др. [23, 24]. В Югославии по­ строен также ряд высоких плотим из местных материалов (Тиквеш, 105 лі; Шпилье, 103 лі; Глобочица, 102 лі и др.).

В Болгарии [25-—29] из запроектированных и построенных плотин высотой более 80 лі лишь одна земляная плотина (Калебо, 108 .к) и одна контрфорсная (Топрлница, 85 лі); остальные высокие плотины арочного типа, из них построе­ ны Аіітоиивановци (77=145 лі), Кырджалн (Я=103 лі), Кричим (Я=100 лі), а проектировались Цанков Камык (Я=125 л/), Симеонов Мост (Я=100 лі).

Ряд высоких плотин построен и строится сейчас в Африке. Выявить тен­ денцию строительства плотин в Африке — задача довольно трудная. Проекти­ рование этих плотин выполнено различными зарубежными фирмами, налри-

9