Глава 16

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

16.1. Техническая эксплуатация гидротехнических сооружений

Общие положения и эксплуатационные режимы речных гидро­технических сооружений. Гидротехнические сооружения, как прави­ло, обладают большой массой, располагаются на естественных основаниях, работают в тяжелых условиях воздействия на них гидрологических и атмосферных факторов, что может привести при определенных условиях к их повреждению и в некоторых случаях к аварии. Тяжелые последствия аварий гидротехнических соору­жений, особенно напорных, заставляют предъявлять к их надеж­ности * повышенные требования.

Эти требования должны предусматриваться при проектирова­нии, обеспечиваться при строительстве и эксплуатации. При проек­тировании проводят соответствующие расчеты устойчивости и прочности сооружения и его элементов. На стадии строительства следует строго придерживаться проекта как в части конструктив­ной, так и в части производства работ. В условиях эксплуатации должен осуществляться систематический контроль за состоянием сооружения с целью своевременного обнаружения повреждений и их устранения. Таким образом, техническая эксплуатация гидро­технических сооружений должна обеспечить оптимальные условия для выполнения ими технологических функций и предупреждать преждевременный износ сооружений при минимальных эксплуата­ционных затратах [2]; кроме того, должны быть обеспечены без-

* Надежностью сооружения называют свойство сооружения выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени — срока службы,

434

опасность обслуживающего персонала, прилегающей территории и охрана окружающей среды.

Техническая эксплуатация гидротехнических сооружений осу­ществляется специальным подразделением в составе дирекции сооружения или комплекса сооружений, которое в своей деятель­ности руководствуется Правилами технической эксплуатации, разработанными и утвержденными соответствующими ведомства­ми, а также Типовыми инструкциями по эксплуатации гидротехни­ческих сооружений. В соответствии с этими документами на каж­дом предприятии разрабатываются местные производственные и должностные инструкции, которые регламентируют всю деятель­ность указанных подразделений (гидротехнического цеха или уча­стка). В местной производственной инструкции, которая утвержда­ется руководством предприятия, должны быть отражены краткая характеристика гидротехнических сооружений, сведения по гидро­логическому режиму реки, водохозяйственная схема гидроузла, порядок эксплуатации в нормальных и экстремальных (половодье, ледостав, аварийное состояние) условиях, подготовка и проведе­ние ремонта, контроль за работой сооружений, требования техни­ки безопасности, порядок учета стока воды.

В местной производственной инструкции должны быть помеще­ны сведения, характеризующие материал и основание гидротехни­ческих сооружений, гидрологические параметры водохранилища и гидравлические показатели сооружений, порядок и очередность проведения осмотра, наблюдения и контрольных измерений по каждому сооружению.

Речные гидротехнические сооружения эксплуатируют в различ­ных режимах: в периоды половодья и паводков, межени, в зимний период, в аварийных условиях. При подготовке к каждому экс­плуатационному режиму проводят ряд мероприятий. План меро­приятий по пропуску половодья (паводка) предусматривает режим предварительной сработки и последовательного наполнения водо­хранилища, подготовительные работы перед половодьем, режим работы гидроузла во время пропуска высоких вод, работы после пропуска высоких вод. При подготовке к эксплуатации сооружений в морозный период проверяют готовность к работе в зимних усло­виях всего технологического оборудования (затворов, очистных решеток, их обогрева, освещения ограждений и проч.), перевод на зимнее содержание производственных помещений, дренажей, контрольно-измерительной аппаратуры, подготовку инструмента, приспособлений, подъездов и т. д.

При подготовке к морозному периоду большое внимание уде­ляют пропуску через сооружения шуги. В Типовой инструкции рекомендуется для предотвращения забивания шугой сороудержи-вающих решеток, водозаборов и т. д. поддерживать равномерный режим работы гидротурбины (для случая ГЭС) при постоянном уровне верхнего бьефа, обеспечить обогрев решеток, установить запани для направления шуги к сбросным отверстиям, разрабо-

435

тать, исходя из местных условии, оптимальное маневрирование затворами. Более подробный план борьбы с шугой разрабатывают в рамках местной производственной инструкции для конкретных сооружений.

В этой же инструкции должен быть план действий на случай аварийной ситуации, причиной которой могут быть катастрофиче­ский паводок, селевой поток большой мощности, большая волна от обвала горных пород в водохранилище, сильное землетрясение, катастрофические ливневые осадки, ненадежная работа элементов и устройств гидроузла. В местной производственной инструкции должны быть предусмотрены мероприятия по уменьшению ущерба от аварии и определены обязанности персонала на этот случай; подготовлены материалы, транспорт, связь, средства предупреж­дения персонала и органов местной власти.

Во всех случаях, когда возникает угроза разрушения гидротех­нических сооружений, необходимо срочно оповестить все нижеле­жащие населенные пункты и гидроузлы, обеспечить вывод населе­ния в безопасные места. При обнаружении каких-либо поврежде­ний и дефектов гидротехнических сооружений, которые могут при­вести к аварии, они должны быть немедленно устранены.

Эксплуатационный контроль за состоянием и работой гдротехни-ческих сооружений. Эксплуатационный контроль необходим с целью получения систематических достоверных данных о состоя­нии и работе гидротехнических сооружений, предупреждения ава­рий, выбора оптимальной работы агрегатов, назначения и выбора технологии ремонтных работ, усовершенствования и реконструк­ции сооружений.

Наблюдение за сооружениями ведут с начала строительства и продолжают весь период эксплуатации. При строительстве совре­менных сооружений проектом предусматривается установка в со­оружении и его основании контрольно-измерительной аппаратуры для наблюдения за смещениями и деформациями сооружения и его отдельных элементов, напряжениями в теле сооружения, его конструктивных элементах и в основании, осадкой сооружения, характеристиками фильтрационного потока, воздействиями потока воды и льда на элементы сооружений. Одновременно измеряют гидрометеорологические факторы: температуру воздуха и темпе­ратуру воды на поверхности и по глубине, уровни, скорости пото­ка, параметры волнения. Наблюдают за размывами в нижнем бьефе и аккумуляцией наносов в верхнем бьефе, определяют агрессивность воды к бетону и металлу. Для установления при­чинных связей наблюдения за взаимообусловленными явлениями должны проводить в одни и те же сроки (синхронно). При необхо­димости ведут инструментальные наблюдения за вибрацией соору­жений, их смещениями и напряженным состоянием при сейсмиче­ских воздействиях, напряженно-деформированным состоянием при термосиловом воздействии, определяют степень и характер корро­зии бетона, железобетона и металла.

436

Объем и сроки наблюдения устанавливаются местной произ­водственной инструкцией с учетом характера измерений и срока службы сооружений. Время безотказной работы контрольно-изме­рительной аппаратуры, как пока'за'ла практика, значительно мень­ше срока службы сооружений. Поэтому рекомендуется проводить измерения с помощью контрольно-измерительной аппаратуры в первые годы работы сооружений после их ввода в эксплуатацию. В начальный период измерения ведут чаще, чем в последующие годы. Сроки и состав наблюдений зависят от типа сооружения и его класса. Сооружения I и II классов во всех случаях оснащают контрольно-измерительной аппаратурой общего типа для измере­ния смещений, деформаций, осадок, напряжений, расходов, уров­ней и т. п.

Полученные данные обрабатывают, оформляют соответствую­щим образом, систематизируют и анализируют, сопоставляя с расчетными данными и данными предыдущих измерений. На осно­вании полученных материалов может быть объективно оценено состояние сооружений, определены места повреждений, нарушение режима работы отдельных механизмов и устройств и обоснованно определены необходимость и объемы текущего и капитального ремонтов.

Бетонные и железобетонные сооружения. Осадки гидротехниче­ских сооружений из бетона и железобетона определяют геометри­ческим нивелированием с точностью, характеризуемой средней квадратичной ошибкой не более ±1,0 мм при скальном и не более ±2,0 мм при сжимаемом основании. Указанная точность измере­ния позволяет выбрать класс инструмента, методику измерения и тип высотной опорной сети. Для наблюдения за осадками устанав­ливают рабочие фундаментальные реперы вне пределов возмож­ных деформаций прилегающей к сооружениям территории и соз­дают сеть контрольных высотных марок. Для определения осадок основания закладывают глубинные марки. Суммарные осадки определяют нивелированием высотных марок, заложенных на по­верхности блоков и секций сооружения. Для установки инструмен­тов и реек создают стационарные опоры. Наблюдения за осадками проводят при постоянной температуре и устойчивом уровне воды в водохранилище. Измерение осадок' до их стабилизации, что определяется осадкой 1...2 мм в год, проводят ежегодно; после стабилизации — не реже одного раза в пять лет. Горизонтальные смещения бетонных и железобетонных высоконапорных плотин в зависимости от типа сооружений, их геометрических размеров и топографических условий можно определять тремя способами: створным, комбинированным и геодезических засечек. Основным способом является створный. При измерении смещений гребня плотины устанавливают опорные пункты вне пределов сооружения в виде массивных бетонных опор и сеть контрольных пунктов по гребню сооружения. По отклонению контрольных пунктов от ство-

437

pa судят об общих смещениях сооружения. Для определения сме­щения основания створ оборудуют в смотровой галерее.

При высоконапорных плотинах применяют комбинированный способ — сочетание створного способа с триангуляцией. Способ геодезических засечек используют в дополнение к створному для определения смещений контрольных пунктов, устанавливаемых на арочных плотинах на разных уровнях с низовой стороны. Относи­тельные смещения отдельных элементов сооружения, их наклоны, повороты, изгибы определяют с помощью специальных приборов (щелемеров, клиномеров, обратных отвесов и т. п.). Раскрытие деформационных и температурных швов, а также трещин в бетоне измеряют с помощью щелемеров. Напряженное состояние массив­ных бетонных плотин в большой степени зависит от их температур­ного режима, поэтому одновременно фиксируются напряжения в бетоне с помощью закладных тензометров различной конструкции и температура бетона. Деформации оснований сооружения изме­ряются с помощью тензометров, закладываемых в скальные осно­вания, и с помощью грунтовых динамометров в случае сжимаемых оснований.

Одной из важнейших задач при эксплуатации напорных соору­жений является наблюдение за фильтрацией через сооружение, в основании и в обход сооружения, что осуществляется с помощью сети трубчатых пьезометров, которые закладываются в точках, указанных в проекте. Оголовки напорных пьезометров оборудуют манометрами и устройствами, позволяющими определять дебит пьезометра. В безнапорных пьезометрах предусматривается ис­пользование лотов различной конструкции.

В железобетонных конструкциях измеряют усилия в арматур­ных стержнях с помощью арматурных динамометров.

На гидротехнические сооружения из бетона и железобетона резко отрицательно сказывается вибрация, особенно на сооруже­ния сборно-монолитной конструкции. Для определения уровня вибрации и выявления причины ее появления измеряют пульсации давления в потоке одновременно с вибрацией. В первом случае используют высокочастотные датчики различной конструкции, во втором случае — низкочастотные вибродатчики с диапазоном изме­рения 1...30 Гц. При этом для измерений вибраций в диапазоне 1...2 Гц удобнее и проще использовать вибрографы, работающие в режиме акселерометров.

При визуальном осмотре сооружений особое внимание должно уделяться состоянию бетона напорной грани сооружения в зоне колебаний уровня. Необходимо выявить различного вида повреж­дения бетона — размягчение бетона, раковины, трещины и др. В этом случае необходимо исследовать прочность бетона либо непосредственно в сооружении, либо путем испытания в лаборато­рии выбуренного керна. При наличии на низовой грани участков бетона, пораженных выщелачиванием извести, необходимо произ­вести химический анализ профильтровавшейся воды и воды из

438

верхнего бьефа и результаты сравнить, что позволит определить степень поражения бетона. Далее следуе_т определить площадь и глубину пораженных участков и плотность бетона в их пределах.

В железобетонных конструкциях могут появиться трещины в защитном слое либо за счет электрохимической коррозии (эти трещины направлены вдоль арматуру), либо от силовых воздей­ствий (в этом случае трещины расположены под разными углами к продольной арматуре). Необходимо зафиксировать характер трещин, их величину и количество и установить наблюдение за их развитием. О наличии трещин, неплотности швов в бетонном со­оружении можно судить по фильтрационному расходу через со­оружение. Его значение можно определить по изменению уровня в дренажных колодцах за определенное время (в здании ГЭС) и путем установки мерных водосливов в сборных кюветах (в гале­рее плотины).

Сооружения из местных материалов. Для грунтовых плотин I, II и III классов и IV класса высотой более 15 м в обязательном порядке проводят наблюдения за осадками гребня плотины и от­дельных ее элементов и фильтрацией через тело плотины, в ее основании и в обход плотины.

В высоких плотинах I и II классов устанавливают контрольно-измерительную аппаратуру и ведут специальные наблюдения по определению напряженно-деформированного состояния тела пло­тины с помощью грунтовых динамометров и пьезодинамометров. Наблюдения начинают в период строительства и заканчивают после стабилизации деформаций. Измерение пространственных смещений гребня плотины, берм и откосов плотин производят с помощью контрольных постов (марок), высотное положение кото­рых определяют путем нивелирования III класса (или более высо­кого класса при специальном обосновании), и плано-вые смещения теми же способами, что и в случае бетонных плотин.

Осадки основания и отдельных слоев по высоте плотины опре­деляют по смещению глубинных марок. В каменно-набросных плотинах устанавливают специальные наблюдательные шахты, оборудованные отвесом. Наблюдения в плотинах I и II классов ведут согласно «Типовой инструкции по эксплуатации гидротехни­ческих сооружений русловых электростанций» (1979) за осадкой подошвы один раз в 1.. .3 месяца в период строительства и до на­полнения водохранилища, а затем один раз в год до затухания осадок; за осадкой гребня и берм плотины — один раз в месяц в первый год наблюдений, один раз в 3 месяца во второй год, затем один раз в год до затухания осадок.

В эти же сроки производят наблюдения за плановыми смеще­ниями. Осадки считаются практически затухшими при их значении 2.. .5 мм в случае грунтовых плотин и 10.. .20 мм в случае каменно-набросных в год. После затухания смещений наблюдения повто­ряют один раз в пять лет.

439

При наблюдениях за фильтрацией в плотинах из местных ма­териалов определяют положение депрессионнои кривой в теле плотины, место выхода фильтрационного потока на низовом от­косе, фильтрационный расход.

В высоких плотинах (более 25 м) ведут наблюдения за поро-вым давлением вне зависимости от их конструкции (кроме камен-по-набросных). При наличии глинистых экранов (при возведении плотины методом отсыпки суглинистых грунтов в воду) наблюде­ния за поровым давлением организуют и на плотинах меньшей высоты.

Положение депрессионнои кривой определяют с помощью шахтных пьезометров, установленных в поперечном сечении пло­тины. Распределение гидродинамического давления в фильтра­ционном потоке измеряют с помощью точечных пьезометров. По-ровое давление в глинистых грунтах определяют с помощью ди­станционных пьезометров, двухтрубных пьезометров или спе­циальных датчиков конструкции НИС Гидропроекта.

Положение кривой депрессии измеряется один раз в 5... 10 дней, поровое давление один раз в 10. ..20 дней в начальный период эксплуатации, затем реже и прекращается при полной кон­солидации грунта (стабильности показаний датчиков).

Фильтрационный расход измеряют одновременно с наблюде­ниями за положением депрессионнои кривой. Измеренные расходы сравнивают с расчетными и при их превышении принимают меры по установлению причин такого положения и их ликвидации. Од­новременно с измерением расхода отбирают пробы воды для опре­деления мутности фильтрующихся вод и их химического анализа. При обнаружении выноса твердых частиц и химических соедине­ний вытекающей из тела плотины водой принимают меры по устранению этих явлений.

Скорость фильтрационного потока определяют методом инди­каторов два раза в год. Представление о скорости фильтрации дает систематическое сравнение температуры воды в пьезометрах и в водохранилище с интервалом 10.. .20 дней.

Кроме инструментальных наблюдений систематически осуще­ствляют визуальный осмотр сооружений, обращая внимание при этом на состояние откосов и гребня плотины (просадки, подвижки, оползни и проч.), крепления верхового и низового откосов (сохран­ность крепления, деформация швов между плитами крепления, вымыв грунта из-под плит, разрушение каменного крепления ни­зового откоса после половодья и др.). выход фильтрационных вод на низовом откосе, исправность доенажных устройств и водоотво-дящих канав, размывы откосов и берегов.

Режим реки, русловые процессы и зимний режим. При наблюде­нии за режимом реки (водотока) измеряют уровни воды в бьефах, перепад уровня на сороудерживающих решетках, значение которо­го позволяет судить о степени их засоренности, расходы через во-

f 440 i

досбросы и турбины (при их наличии), открытия водосбросных отверстий. Все эти измерения на крупных гидроузлах ведут с по­мощью электронной измерительной аппаратуры с автоматической записью показаний. Измерительный створ уровня верхнего бьефа устанавливают на расстоянии (4...5)//, где Н — максимальный напор на водосливе, т. е. вне пределов кривой спада. В нижнем бьефе створ измерений уровня должен быть вынесен в конец уча­стка сопряжения с руслом, где распределение скоростей близко к бытовому. При определении стока через гидроузел учитывают расход через турбины, водосбросные и водопропускные сооруже­ния, все виды утечек и фильтрации в створе ГЭС. Сток в створе ГЭС определяют непрерывно для получения ежесуточных, а также максимальных и минимальных его значений в различные фазы режима водотока. При наблюдении за русловыми процессами персонал ГЭС определяет наличие и величину размывов или отло­жения наносов в нижнем бьефе с помощью регулярных промеров в фиксированных створах. Эти работы обычно проводятся в ме­жень.

Состояние креплений в нижнем бьефе систематически подвер­гается водолазному осмотру. Ведут наблюдения за размывом бере­гов водохранилища, формированием oiмелей, заилением водохра­нилища с помощью промеров по фиксированным поперечникам. При затруднениях в работе гидроузла из-под наличия большого количества наносов (заиление водохранилища, износ лопаток гид ротурбин, абразивное действие на материал сооружений и др.) принимают меры по интенсивному сбросу наносов в нижний бьеф.

В период отрицательных температур ведут наблюдения за на­чалом и особенностями ледостава, наличием шуги, таянием ледя­ного покрова, особенностями ледохода через гидроузел, обледене­нием технологического оборудования и сооружений. Систематиче­ски измеряют температуру воздуха и воды.