7 Слайд

Саяно-Шушенская ГЭС является крупнейшей электростанцией России, к тому же вырабатывающей очень дешёвую электроэнергию — себестоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии в 2001 году Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса составляла 1,62 коп.[1] ГЭС является самым мощным источником покрытия пиковых перепадов электроэнергии в Единой энергосистеме России.[27] Гидроэлектростанция является основой и источником энергоснабжения Саянского территориально-производственного комплекса, включающего в себя крупные алюминиевые заводы — Саянский и Хакасский (принадлежат компании «Российский алюминий»), Абаканвагонмаш, угольные разрезы, железные рудники, ряд предприятий лёгкой и пищевой промышленности.[28]

Водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС имеет противопаводковое значение, защищая от наводнений расположенные ниже по течению территории. Так, в ходе половодья 2010 года приток в водохранилище составлял более 9000 м³/с, а сброс воды в нижний бьеф ГЭС составлял менее 6000 м³/с,[37] при том, что при расходах более 7000 м³/с начинается подтопление территорий в нижнем бьефе.[38] Саяно-Шушенская ГЭС представляет интерес как объект туризма

8 Слайд

Проектирование

Чертёж плотины и здания ГЭС

В 1956—1960 годах «Ленгидроэнергопроектом» была разработана схема гидроэнергетического использования верхнего Енисея, в ходе работы над которой была установлена целесообразность использования падения реки в районе Саянского коридора одной мощной ГЭС, что позволяло создать водохранилище с ёмкостью, достаточной для сезонного регулирования. В 1962 году совет государственной научно-технической экспертизы подтвердил обоснованность предложенной схемы, начались работы по формулированию проектного задания. Одновременно начались полевые изыскания с целью поиска наиболее подходящего створа для строительства новой ГЭС — 4 ноября 1961 года в Абакан прибыл первый отряд изыскателей «Ленгидропроекта» во главе с П. В. Ерашовым. Изучались пять возможных створов — Майнский, Кибикский, Мраморный, Карловский и Джойский. Первоначально наиболее перспективным казался Джойский створ, но в ходе изысканий он был исключён из рассмотрения в связи с обнаруженными переуглублениями в скальном основании выше и ниже створа. По инженерно-геологическим и иным показателям наиболее оптимальным оказался Карловский створ, выбранный Государственной комиссией 21 июля 1962 года. В целом Саянской экспедицией «Ленгидропроекта» в течение 6 лет был выполнен большой объём инженерно-геологических работ (так, объём бурения составил 41 км, фильтрационные опыты были проведены с 4000 образцами пород, что позволило избежать «геологических неожиданностей» при строительстве).[5][41] [42]

В 1962—1965 годах «Ленгидропроектом» велись активные работы в рамках разработки проектного задания Саяно-Шушенской ГЭС. В ходе проектирования рассматривались варианты компоновки будущего гидроузла с каменно-набросной, бетонной гравитационной, арочной и арочно-гравитационной плотиной. Из всех возможных вариантов наиболее предпочтительным оказался вариант с арочно-гравитационной плотиной (так, вариант с каменно-набросной плотиной, потенциально несколько более дешёвый, был отвергнут по причине необходимости строительства крупных тоннельных водосбросов, требовавших сооружения сложных в эксплуатации двухъярусных водоприёмников и создававших тяжёлый гидравлический режим реки в нижнем бьефе).[42] Проектное задание Саяно-Шушенской ГЭС было утверждено Советом Министров СССР в 1965 году и предусматривало сооружение ГЭС с 12 гидроагрегатами мощностью по 530 МВт (с подводом воды по типу использованного на Красноярской ГЭС), расположенными в здании ГЭС, по центру арочно-гравитационной плотины, и двумя поверхностными водосбросами без водобойных колодцев слева и справа от здания ГЭС, предусматривавших гашение энергии потока воды в яме размыва в нижнем бьефе.[43][44]

После утверждения проектного задания начались работы по созданию технического проекта Саяно-Шушенской ГЭС. В ходе работы над техническим проектом конструктивная схема отдельных элементов гидроузла, зафиксированная в проектном задании, подверглась изменению. В 1968 году по предложению Министерства энергетики СССР и заводов-производителей оборудования было решено увеличить единичную мощность гидроагрегатов до 640 МВт, что позволило уменьшить их количество до 10; кроме того, было принято решение об использовании однониточных трубопроводов и одноподводных спиральных камер, в результате чего удалось существенно уменьшить длину здания ГЭС.[45] Также в связи со значительными прогнозируемыми размерами воронки размыва и возможным развитием ряда неблагоприятных процессов в нижнем бьефе было принято решение об отказе от предусмотренной проектным заданием схемы водосбросных сооружений с гашением потока в воронке размыва в пользу водосброса с водобойным колодцем, расположенного в правой части гидроузла. В 1969 году состоялась первая экспертиза технического проекта Саяно-Шушенской ГЭС, по итогам которой было принято решение о доработке проекта. В 1970 году состоялась повторная экспертиза, по результатом которой 11 января 1971 года технический проект Саяно-Шушенской ГЭС был утверждён коллегией Минэнерго СССР.[46]

Должность главного инженера проекта Саяно-Шушенской ГЭС в разное время занимали Г. А. Претро (до 1965 года), Я. Б. Марголин (1965—1968), Л. К. Доманский (1968—1972) и А. И. Ефименко (1972—1991).[41]

От начала строительства до пуска гидроагрегата № 1 (1963—1978 годы)

Строительство ГЭС. На переднем плане — спиральная камера гидроагрегата

Подготовительный этап строительства Саяно-Шушенской ГЭС начался в 1963 году со строительства дорог, жилья для строителей и других объектов инфраструктуры. Головной организацией, ответственной за строительство гидроузла, стал «КрасноярскГЭСстрой». Согласно проектному заданию, строительство ГЭС предполагалось осуществить в 1963—1972 годах. Однако объёмы финансирования строительства с первых лет подготовительного периода значительно отставали от проектных, что привело к затягиванию сроков сооружения ГЭС.[47] Непосредственные работы по сооружению собственно ГЭС были начаты 12 сентября 1968 года с отсыпки перемычек котлована первой очереди. После осушения котлована 17 октября 1970 года в основные сооружения станции был уложен первый кубометр бетона. К моменту перекрытия Енисея, осуществлённого 11 октября 1975 года, были построены основание водосбросной части плотины с донными водосбросами первого яруса, значительная часть водобойного колодца и рисберма. После перекрытия реки были развёрнуты работы по сооружению левобережной части плотины со зданием ГЭС; вплоть до 1979 года сток реки пропускался через 9 донных водосбросов, а также поверх строящейся водосбросной части плотины через так называемую «гребёнку», образованную наращиванием нечётных секций плотины по отношению к чётным.[9] В апреле 1976 года было принято постановление Совета Министров СССР об ускорении строительства Саяно-Шушенской ГЭС, устанавливавшее жёсткие сроки ввода гидроагрегатов: первый агрегат — в 1978 году, по два агрегата — в 1979 и 1980 годах. Первый гидроагрегат Саяно-Шушенской ГЭС (со сменным рабочим колесом) был поставлен под промышленную нагрузку 18 декабря 1978 года.[41] Всё уникальное оборудование станции было изготовлено на заводах СССР: гидротурбины на производственном объединении «Ленинградский металлический завод», гидрогенераторы на Ленинградском производственном объединении «Электросила», электроподстанции на производственном объединении «Запорожтрансформатор»[48].

Затопление котлована ГЭС при пропуске половодья 1979 года

К 1976 году стало очевидно, что реальные темпы строительства значительно отстают от проектных предположений. Согласно техническому проекту станции, к моменту пуска первых гидроагрегатов планировалось возвести плотину на высоту 170 м и уложить в основу главных сооружений более 75 % бетона от общего объёма; для пропуска половодья в этот период планировалось использовать 10 временных водосбросов второго яруса. Отставание темпов работ при сохранявшихся директивных сроках пуска гидроагрегатов привело к необходимости изменения проектных параметров сооружения. В частности, было принято решение о снижении уровня верхнего бьефа, необходимого для пуска первых гидроагрегатов, что позволило снизить необходимый для укладки к этому моменту объём бетона с 7,31 до 4,13 миллионов м³, количество водосбросов второго яруса было уменьшено с 10 до 6 при сохранении их общей пропускной способности.[49]

Однако обеспечить необходимые темпы укладки бетона даже в сокращённом варианте не удалось, что привело к невозможности пропуска половодья 1979 года с использованием только водосбросов второго яруса (донные водосбросы первого яруса подлежали заделке). Возникла необходимость использования также и открытых водосливов, образованных за счёт штрабления нечётных секций водосбросной части плотины. Тем не менее, к началу половодья 1979 года водосбросной участок плотины не был подготовлен к пропуску воды и в этом варианте — в необходимые для безопасного пропуска половодья сооружения не было уложено более 100 000 м³ бетона. В результате 23 мая 1979 года при пропуске половодья произошёл перелив воды через раздельную стенку и затопление котлована ГЭС с введённым в строй гидроагрегатом № 1.[50] Перед затоплением гидроагрегат был остановлен и частично демонтирован, что позволило после откачки воды быстро восстановить его работоспособность. В ходе восстановительных работ был сооружён бетонный барьер вокруг гидрогенератора, произведена герметизация ограждающих конструкций. 31 мая произведена откачка воды из гидрогенератора, 10 июня началась откачка воды из здания ГЭС. Одновременно велись ремонтно-восстановительные работы на оборудовании станции. 20 июня здание ГЭС и турбинное оборудование было осушено полностью. 4 июля началась сушка изоляции гидрогенератора и ремонт повреждённых узлов. Повторно гидроагрегат № 1 был включен в сеть 20 сентября 1979 года.

Строительство в 1979—1991 годах

Памятник строителям ГЭС на смотровой площадке. Открыт в 2008 году

Ввод гидроагрегата № 2 (также со сменным рабочим колесом) был произведён 5 ноября 1979 года, гидроагрегата № 3 со штатным рабочим колесом — 21 декабря 1979 года. К моменту пуска данных гидроагрегатов профиль плотины также не соответствовал проекту — основные усилия строителей были направлены на интенсификацию сооружения I столба плотины при недостаточных объёмах бетонирования остальных столбов, что при заполнении водохранилища привело к непроектным напряжениям в I столбе и образованию трещин в бетоне.[51] Имели место значительные по объёму (более 13 000 м³ бетона и железобетона) кавитационные разрушения в водосбросах второго яруса и попусковом водосбросе первого яруса, связанные как с недостаточно продуманными проектными решениями, так и с отступлениями от проекта при строительстве и эксплуатации водосбросов.[52] В частности, согласно проекту временные водосбросы второго яруса планировалось использовать в течение 2-3 лет, однако из-за затягивания строительства фактически они использовались 6 лет.[53]

В 1980 году были пущены гидроагрегаты № 4 и № 5 (29 октября и 21 декабря), 6 ноября 1981 года — гидроагрегат № 6. Оставшиеся гидроагрегаты были пущены в 1984 году (№ 7 — 15 сентября и № 8 — 11 октября) и в 1985 году (№ 9 — 21 декабря, № 10 — 25 декабря). К началу половодья 1985 года были заделаны водосбросы второго яруса и введена в работу часть эксплуатационных водосбросов. В 1987 году временные рабочие колёса гидроагрегатов № 1 и № 2 были заменены на постоянные.[41] К 1988 году строительство ГЭС было в основном завершено, в 1990 году водохранилище было впервые заполнено до отметки НПУ. В постоянную эксплуатацию Саяно-Шушенская ГЭС была принята 13 декабря 2000 года.[27]

Разрушения водобойного колодца и их устранение

Первые, умеренные по объёму и относительно легко устранённые повреждения водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС были зафиксированы в 1980—1981 годах и были связаны с попаданием в водобойный колодец горной породы, кусков бетона и строительного мусора, нарушениями в технологии строительства, непроектными режимами работы водосбросов.[54]

Images.png Внешние изображения

Image-silk.png Разрушения в водобойном колодце после паводка 1988 года

Половодье 1985 года впервые пропускалось с использованием эксплуатационных водосбросов (5 из 11), сбрасываемые расходы достигали 4500 м³/с. Перед пропуском половодья водобойный колодец был осушен, обследован и очищен, значительных повреждений в нём обнаружено не было. После пропуска половодья, в ноябре 1985 года при осмотре водобойного колодца было выявлено наличие в нём значительных разрушений. На площади около 70 % поверхности дна колодца плиты крепления были полностью разрушены и выброшены потоком за водобойную стенку. На площади, составляющей порядка 25 % от общей площади дна колодца, были разрушены все плиты крепления, бетонная подготовка и скала на глубину от 1 до 6 м ниже основания плит.[55] Причиной разрушения колодца комиссия Минэнерго СССР назвала дефектную конструкцию крепления плит; в то же время экспертная комиссия Инженерной академии РФ в 1993 году пришла к выводу о правильности проектных решений конструкции крепления.[56] В настоящее время причиной разрушения водобойного колодца в 1985 году считается разрушение бетонной «пломбы», которой были заделаны кавитационные повреждения дна водобойного колодца, возникшие в 1981 году, с последующим проникновением скоростного напора воды между плитами крепления и их основанием, что вызвало отрыв плит. Причиной разрушения «пломбы» называется её недостаточная прочность и отсутствие герметизации швов в местах её сопряжения с плитами крепления, усугублённые сосредоточенным воздействием сбрасываемого потока воды, возникшего в результате использования непроектной схемы открытия затворов водосброса.[57]

Сразу же после обследования осушенного колодца комиссией Минэнерго СССР было принято решение о его восстановлении, причём конструкция нового крепления принималась принципиально отличной от исходного: вместо плит толщиной 2,5 м и размерами 12,5×15 м с герметизированными швами было решено устроить крепление из бетонных блоков толщиной 4—8 м размерами 6,25×7,5 м с открытыми швами. Устойчивость блоков обеспечивалась за счёт их веса, цементации основания и использования анкеров. Работы было решено выполнить в две очереди — первая, предусматривающая реконструкцию дна колодца по его периферии, должна была быть закончена к половодью 1986 года, вторая (реконструкция центральной части колодца) — к половодью 1987 года.[58] В блоки первой очереди было уложено 30 100 м³ бетона и установлено 785 анкеров. Разборка старого крепления и подготовка основания для нового проводилась с широким использованием буровзрывных работ. К моменту затопления колодца перед половодьем 1986 года в центральной части колодца находился отвал скального грунта и обломков бетона общим объёмом около 20 000 м³. После прохождения половодья было обнаружено, что крепление первой очереди не получило значительных повреждений; большая часть отвала грунта из центральной части колодца была вымыта и унесена потоком за пределы колодца.[57] Вторая очередь реконструкции крепления потребовала укладки 52 100 м³ бетона и установки 197,5 т анкеров.[59]

Вид на ГЭС с верхнего бьефа

В 1987 году эксплуатационные водосбросы не использовались. В 1988 году для пропуска летнего паводка с 15 июля по 19 августа открывалось до пяти эксплуатационных водосбросов, максимальный расход достигал 5450 м³/с. После осушения колодца в сентябре 1988 года были обнаружены значительные разрушения его днища в центральной части. Общая площадь повреждений составила 2250 м², что соответствует примерно 14 % общей площади дна колодца. В зоне наибольших разрушений площадью 890 м² бетонное крепление было разрушено полностью, до скального грунта, с образованием в последнем воронки размыва. Бетонные блоки крепления весом до 700 тонн каждый были либо разрушены, либо отброшены потоком к водобойной стенке. Причиной разрушения водобойного колодца являлось образование трещин в блоках первой очереди реконструкции в ходе подготовки основания под блоки второй очереди с применением широкомасштабных буровзрывных работ. Проникновение воды под давлением в трещины через открытые швы между блоками привело к разрушению повреждённых блоков первой очереди, что в свою очередь привело к отрыву от основания неповреждённых блоков второй очереди, часть из которых (толщиной 6 м и более) к тому же не была закреплена анкерами. Усугубило ситуацию включение водосбросов 43 и 44 секций с полным открытием затворов 1 августа 1988 года, что привело к концентрации сбросов на «потревоженной», но ещё находившейся на месте части крепления, после чего в короткие сроки произошло разрушение крепления.[60]

Разрушения в водобойном колодце после паводка 1988 года устранялись путём установки блоков, аналогичных блокам первой и второй очереди, но с герметизацией швов металлическими шпонками и обязательной установкой анкеров. Кроме того, во всех сохранившихся блоках крепления второй очереди толщиной 6 метров и более также устанавливались анкера из расчёта один анкер на 4 м² площади. В головной части заделки зоны повреждений устанавливались предварительно-напряжённые анкера. Была проведена цементация швов блоков 5—11 рядов всех трёх очередей. Взрывные работы при подготовке основания для установки блоков были исключены. Работы по реконструкции водобойного колодца были завершены к 1991 году, всего было уложено 10 630 м³ бетона, установлено 221 т пассивных анкеров и сеток и 46,7 т (300 шт.) предварительно-напряжённых анкеров.[61] После завершения реконструкции, в ходе дальнейшей эксплуатации значительных разрушений в водобойном колодце не наблюдалось.

Строительство берегового водосброса

После выявления повторных разрушений в водобойном колодце в 1988 году на состоявшемся 3—6 октября 1988 года заседании комиссии Минэнерго СССР было предложено, с целью снижения нагрузок на водобойный колодец, рассмотреть возможность сооружения дополнительного водосброса тоннельного типа пропускной способностью 4000—5000 м³/с. К 1991 году «Ленгидропроектом» и институтом «Гидропроект» была проведена предварительная проработка ряда вариантов тоннельных водосбросов (в двух- и однониточном исполнении). В 1993 году экспертной комиссией Инженерной академии РФ под председательством Н. П. Розанова были детально рассмотрены вопросы надёжности плотины и водосбросных сооружений Саяно-Шушенской ГЭС. В выводах комиссии декларировалась нецелесообразность рассмотрения вопроса о строительстве дополнительного водосброса.[62]

После проведения работ по заделке трещин в плотине было принято решение снизить отметки НПУ и ФПУ гидроузла, что привело к снижению регулирующей ёмкости водохранилища; кроме того, были введены ограничения на скорость заполнения водохранилища. Исходя из изменившихся условий, было принято решение о возобновлении работ по береговому водосбросу. В 1997 году «Ленгидропроектом» с участием ВНИИГ были проведены предпроектные проработки трёх вариантов берегового водосброса; в 1998 году первые проработки по водосбросу были проведены НИИЭС. Рассмотрев данные материалы, экспертная комиссия РАО «ЕЭС» приняла решение о проведении проектных работ и гидравлических исследований берегового водосброса, приняв за основу проработки НИИЭС. В 2001 году технико-экономическое обоснование берегового водосброса, разработанное «Ленгидропроектом» и «Гидропроектом», было одобрено государственной экспертизой.[63]

Строительство берегового водосброса было начато 18 марта 2005 года, общая стоимость его сооружения оценивалась в 5,5 млрд рублей. Генеральным проектировщиком водосброса был выбран «Ленгидропроект», конкурс на выполнение строительных работ был выигран «Бамтоннельстроем», но в 2007 году контракт с ним был расторгнут, новым генподрядчиком стало ОАО «Объединённая энергостроительная корпорация».[64] [65] Строительные работы по сооружению первой очереди берегового водосброса, включающей входной оголовок, правый безнапорный туннель, пятиступенчатый перепад и отводящий канал, были завершены к 1 июня 2010 года. Гидравлические испытания первой очереди были проведены в течение трёх дней, начиная с 28 сентября 2010 года. [66]. Строительство берегового водосброса было официально завершено 12 октября 2011 года.[67]