Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Попов, В. Л. Проектирование подземных сооружений в системе деривационных ГЭС учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
19.10.2023
Размер:
7.55 Mб
Скачать

130 -

горизонтальными прямолинейными

вставками шириной Ь (как

это сделано на Храмской.ГЭС- I )

(рис. 3 3 ,6 ).

Рис. 33. Формы поперечных сечений гидротехнических туннелей:

а

-

круговое очертание;

б - овальное; в -

прямоугольное;

г

-

корытообразное; д -

овоидальное или подъемистое;

 

 

е - подковообразное или коробовое

 

 

 

Безнапорные гидротехнические туннели

могут иметь самые

различные формы поперечного сечения, в том числе и круговую. При проектировании туннеля в плотных, крепких скальных поро­ дах без каких-либо признаков горного давления рекомендуется применять сечение прямоугольного очертания о плоским лотком, вертикальными., стенками и пологим сводчатым перекрытием кру­ гового или параболического очертания (р и с.33,в ).

В породах с небольшим вертика т-ным горным давлением и при отсутствии бокового давления пород применяют сечение ко­

рытообразного очертания с

полуциркульным сводом (ри с.33, г ) .

При наличии давления пород

со стороны почвы лотку

обделки

придают слегка выпуклую форму в направлении породы

(обратный

свод ).

 

 

Подъемистое

сечение

безнапорных

туннелей (р и с.33,д)

применяют в

тех

случаях,

когда имеются

большое вертикальное

и небольшое

боковое давления пород

на

обделку.

Если в тупнелях наблюдаются интенсивное вертикальное гор­ ное давление, а также активное давление пород с боков и со стороны почвы, успешно применяют сечения подковообразного так

называемого коробового

очертания

(рис. 33, е ).

 

Соотношение

высоты

туннеля

h

и его

ширины

ё находит­

ся в пределах

h = (1,0+1,5)

6

. Более

высокие

профили тун­

неля применяются в тех случаях, когда по условиям эксплуатации предусматриваются значительные колебания уровня воды в безна­ порном туннеле.

Размеры поперечного сечения и уклоны дна безнапорных де­ ривационных туннелей должны обеспечивать пропуск расчетных мак­ симальных расходов воды без заполнения всего сечения водой и образования избыточного давления над верхней частью свода (на­ зываемой шелигой) при всех возможных режимах работы гидроэлек­

тростанции, включая максимальные сбросы и

набросы

нагрузки,

т .е .

закрытия и открытия турбин. Нормами

 

установлено,

чтобы

высота воздушного пространства над уровнем

сводчатой поверхно­

сти

воды в безнапорном туннеле (см .рис.

32,

схема

I)

при

установившемся движении была равна 0,15

h

,

но не

менее 40 см.

При проектировании длинных безнапорных подводящих туннелей размеры поперечного сечения определяют таким образом, чтобы при всех невыгодных сочетаниях расчетных условий, включая неустановивгшесл режимы, на всем протяжении туннеля под те лигой свода оставался воздушный зазор высотой не менее 1,5 - 2 ,0 м.

Минимальные размеры поперечного сечения гидротехнических-■ туннелей должны удовлетворять правила;.! техники безопасности при строительстве подземных гидротехнических сооружений. В за­ висимости от формы поперечного сечения и типа обделки высота туннеля должна быть не меньше 2 ,1 -2 ,7 м, а ширина 2 ,1 -2 ,5 м.

При больших расчетных расходах воды (250 м3/сек и более), высоком внутреннем давлении и неблагоприятных инженерно-геоло­ гических условиях возможно применение деривации в виде двух и

более параллельно расположенных туннелей. Несмотря на то, что в большинстве случаев сооружение одного туннеля большого про­ лета (шириной 10-15 м и более) оказывается выгоднез стро­ ительства нескольких эквивалентных ему по площади туннелей меньших размеров, на практике сооружение нескольких туннелей является более целесообразным, так как позволяет разделить строительство деривации на две - три очереди и ускорить ввод в эксплуатацию первых гидроагрегатов.

Трассу гидротехнического туннеля устанавливают путем

технико-экономического сравнения возможных вариантов, выбирае­ мых на основе компоновки гидроузла и инженерно-геологических и топографических изысканий, с учетом строительных условий. При проектировании трассы туннеля следует по возможности избегать участков, находящихся в особо неблагоприятных условиях для сооружения туннеля. Такими условиями являются чрезмерно силь­ ное горное давление, значительный напор и приток подземных вод, оползни, провалы, карстовые пустоты и т.п . -

Трассу туннеля рекомендуется принимать прямолинейной. Не­ прямолинейную трассу принимают, когда это вызывается требова­ ниями компоновки гидроузла или необходимостью открытия допол­ нительных забоев для проходки длинных туннелей. П последнем случае трассу туннеля приближают к земной поверхности, чтобы уменьшить длину вспомогательных выработок (стволов и штолен). При этом трассу туннеля выбирают таким образом, чтобы стволы и штольни можно было бы разместить в ложбинах и низинах, в устойчивых и малообводяенных породах, вблизи площадок, удобных для монтажа проходческого оборудования, и мест, пригодных для отвала порода, вывозимой из туннеля.

Непрямолинейнута трассу принимают также, когда необходимо обеспечить достаточную глубину заложения туннеля или избежать проходки туннеля в неблагоприятных инженерно-геологических условиях. Следует избегать прокладки туннеля иа косогорных участках горных массивов, пласты которых падают к долине и пересекают ее склон. Нельзя располагать трассу в оползневых участках.

В mbстах прохождения трасса туннеля вблизи земной го— верхностп при проектировании рекоглендуется рассмотрев вари­ анты замены туннеля па'соответствующих участках трассы водо­ водами наземных типов: акведуком (мостом для транспортирова­ ния воды), дюкером (напорной трубой), каналом, трубопроводе».:

Повороти непрямолинейной трассн туннеля следует проекти­ ровать плавни:.® для уменьшения сопротивления. При этом ради­ усы закруглений должны приниматься не менее пятикратной ши­ рины туннеля в свету, а угли попорота - не более 69°. При подходе туннелей к подземным сооружениям, а такте при малых скоростях вода в туннеле в отдельных случаях допускаются уменьшение радиуса закругления и увеличение угла, поворота о проваркой.принятых решений путем проведения соответствующих лабораторных исследован ий.

Для улучшения гидравлических условий потока и снижения потерь напора на поворотах рекомендуется на концах закругле­ ний делать переходные кривые. Для устранения неблагоприятных гидравлических явлений при входе и выходе вода туннеля, име­ ющие криволинейную трассу, должны начинаться и заканчиваться прямолинейными участками длиной, равной пролету туннеля в пъоходке (по ширине выемки породы), но не менее 6 м.

Трассн строительного и сбросного туннелей проектируют минимальной длины с возможно большими радиусами закруглений и возможно меньшими углами поворотов. При выборе трассы строительного туннеля следует избегать условий, при которых возможны размывы вблизи строящихся сооружений и подтапливав ние их котлованов или требуется усиленное крепление грунта у перемычек. Трасса строительного туннеля должна находиться на таком расстоянии от других возводимых гидротехнических сооружений,, чтобы породы, служащие основанием этих соору­ жений, не могли быть ослаблены действием взрывов при про­ ходке туннеля.

Места расположения порталов деривационных туннелей в плане определяются расположением примыкающих к туннелю со­ оружений. В туннелях, находящихся на трассе открытых водо-

-134 -

водов (каналов, трубопроводов), места врезки порталов определяются теми пунктами трассы, где стоимость I м смеж­ ного с туннелем открытого водовода близка к стоимости I м гидротехнического туннеля с учетом разницы в потерях напора. В водосбросных и строительных туннелях места врезки опреде­ ляются условиями наиболее благоприятного гидравлического и конструктивного сопряжения их с верхним и нижним бьефами в соответствии с гидравлическим режимом туннеля.

Продольный профиль трассы гидротехнического туннеля обычно характеризуется уклоном дна туннеля. Угол наклона туннеля зависит от режима работы туннеля, его пропускной спо­ собности, размеров поперечного сечения и определяется гидрав­ лическим расчетом.

3. Гидравлические и технико-экономические

расчеты туннелей

.

Основной задачей гидравлических расчетов является опре­

деление размеров поперечного сечения туннеля

при заданных вели­

чинах расчетного расхода. Расчетной расход задается условия­ ми работы гидроэлектростанции и обос ювывается технико-эконо­ мическими соображениями.

Определение размеров поперечного сечения гидротехническо­ го туннеля производится из уел вия пропуска расчетного (мак­ симального) расхода воды при установившемся равномерном дви­ жении воды по всей длине деривации. При безнапорном туннеле

эта

задача решается

с

использованием формулы Шеэи и про­

стейших преобразований:

 

,

 

 

 

i =

_____£ ____

(5 .1)

 

 

 

 

со 2

с 2 R

 

где

Q

-

расчетный расход деривации;

 

 

С

-

коэффициент Шези;

 

- 135 -

со,К, I - соответственно площадь живого сечения, гидрав­ лический радиус и уклон дна туннеля,

 

где X - смоченный периметр.

 

 

При решении

гидравлических задач помимо расчетного рас­

хода

0 раса

обычно заданными являются

форма поперечного

се­

чения и коэффициент шероховатости стенок водовода п .

Коэф­

фициент Шези определяется

по действующим техническим условиям

и нормам в зависимости

от размеров, формы и шероховатости стенок

водовода.

Допускается

также

использование формулы Павловского

 

 

 

С =

п

1г

 

 

(5 .2)

где

tj =

2,5

fr T

т

0,13

-

0,75 (\[7Г

0 ,Л))ЛГ,

 

в ряде случаев можно принимать ц

 

 

 

При определении размеров поперечного сечения безнапор­

ного

туннеля следует

иметь в виду, что

скорость течения

воды

в ' нем при пропуска

расчетного расхода не должна быть меньше

величин, при которых может возникнуть опасность его заиления или возможно зарастание водной растительностью. Расчет на неэаиляемость производится для определения минимальной до­ пустимой скорости, при которой в туннеле не будет происходить отложение наносов. Эта скорость называется критической незаиляюшей скоростью, и величина ее зависит от гидравличе­ ских параметров потока, концентрации и свойств наносов. Наи­ меньшая допускаемая скорость по условиям незарастания безна­

порного водовода при глубинах

более 1,5 м составляет 0,6 м /сек.

Из уравнения

(5 .1) видно,

что площадь живого сечения без­

напорного туннеля

определяется

уклоном его дна.

Чем больше

уклон туннеля, тем меньше размеры поперечного

сечения и сто­

имость туннеля. В то же время увеличение уклона означает по­ тери напора, а следовательно, и мощности ГЭС. Отыскание опти­ мального уклона дна деривационного туннеля с учетом строитель-

( 5 . 5 )

- 136 -

них затрат и выработки электроэнергии или размеров его поперечного сечения является целью onei.иальннх технико-эко­

номических расчетов.

Прпнйип решения задачи об определении оптимальных разме­ ров поперечного сечения состоит в совокупном учете издержек

по туннелю и

стоимости компенсации потерянной в нем энергии.

 

Негодные издержки по туннелю определяются выражениемet„l(Ty|lll

где

К7Унн

- капитальные затраты на сооружение

туннеля, а

Х0-

срэдние ежегодные издержки по туннелю за нормативный

срок окупаемости

t H ,

которые определяются (в долях капи­

таловложений

по

туннелю)

выражением

 

 

 

 

A i ~ Ч|.п ■* Ч г . а + рг~ 1

( 5 . 3 )

где

t rn

- годовые амортизационные отчисления

по туннелю

 

 

(в долях капиталовложений, необходимых для со­

 

 

оружения туннеля);

 

-годовые эксплуатационные расходы по туннелю (в долях капиталовложений).

Стоимость компенсации потерянной в туннеле энергии напо­ ра вычисляется как произведение расчетных издержек Ыэа

.а дополнительный киловатт-час электроэнерги на заменяемой тепловой электростанций и компенсируемой энергии Эпо, потерянной в туннеле:

Н м Э „ Т .

( 5 . 4 )

Компенсируя потерянную энергию, приводим вое расчетные варианты к одинаковой величине энергии, отдаваемой потреби­ телю. Это позволяет производить сравнение по величинам излержек. Минимум суммы S = l 0 Krmi + II, д 3^?" определяет экономически наивыгоднейший вариант. Аналитически это приво­ дит к решению уравнения

rIS вО г/ It

- 137 -

Потери напора в

туннеле длиной L

вычисляются

по фор­

муле

 

 

 

 

h ПОТ

5

 

 

(5 .6)

Подставляя в эту формулу 'значение уклона

I ,

определяе­

мого формулой Шези

(5 .1) и коэффициентом

С

(5 .2 ), получаем

выражение

для определения потерь напора при некотором (пере­

менном во

времени) расходе

QL :

 

 

hЛОТ

Q* n * L

(5.7)

 

0 <

R s^ n

 

 

 

где 0 - - модуль формы поперечного сечения туннеля.

К этим потерям напора могут быть добавлены местные поте­ ри напора, вычисляемые в виде коэффициента.

 

if = I + с 2 R

,

>

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

где

- сумма коэффициентов

всех местных

сопротивлений

 

в туннеле,

отнесенных к средней

скорости воды в

 

туннеле.

 

 

 

 

 

Коли местные потери

напора

в

туннелях I u II классов со­

ставляют не более УЗ.от потерь, на трение по длине, а в тунне­ лях III и 1У классов - соответственно 10?, то можно принимать

У= I.

Полные потери

 

 

i

У Q2 п г L

 

(5 .8) ■

 

 

hпот

8 1

R <r*»'

 

 

 

 

 

 

 

Во время эксплуатации гидроэлектростанций каждый из

расходов

Qj. 'существует

в течение I ,

, причем для одного

года

Т =X.tt

= 87G0

час. Мощность

М „от

, теряемая в

туннеле

в течение

tt час, определяется

величиной 9,81 hn0TQj.

 

Компенсируемые за счет работы других электростанций по­

тери

энергии на рассматриваемой гидроэлектростанции, являющие

138 -

оя

следствием

потерь

энергии

в туннеле

л КОМП

,

. «

 

dnor

будут

 

несколько

меньше потерь

энергии

в

 

 

лТУНН

»

так

 

туннеле ЭПот

 

гак

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

K0MM ___ , , 1'УШС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V лот

о пот

' и

f

 

 

 

 

 

 

 

где

'1 П=

1 Т Чг- к .п .д .

гидроагрегата;

 

 

 

 

 

 

1 Т

,

1 г

- к .п .д . турбины

и генератора.

 

 

 

 

Используя выведенные выражения, определяем суммарные

 

ежегодные затраты

на компенсацию потерь в туннеле;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J760 ,

поткомп h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, Т ( 3

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.81У£пг 1 а Ц,а87СО, .

 

 

(5.9)

 

 

 

 

 

 

 

ft5. 2a

I

 

( Q( t t ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

£ ( O’

tj

)

должно производиться

подроб­

 

но

с учетом суточных колебаний расходов

гидроэлектростанции.

В ряде случаев для напорных туннелей можно вместо выраже­

 

ния

Z

{

Q*

t i

)

вычислять

среднекубический расход

воды

за

год или лишь за период года

t n

,

в

течение которого в

мно­

голетнем разрезе учитываются в среднем потери энергии вслед­

ствие потерь

напора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

сг куЬ — \

Ж

о It,

 

 

 

 

( 5 .ТО)

 

 

 

 

 

 

 

87 ВО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

К

 

-

число

интервалов,

на которые разбит по времени

 

 

 

 

 

градин используемых гидроэлектростанцией расхо­

 

 

 

 

дов

воды за

период

t„

}

 

 

 

 

 

 

Oi

 

-

средние расходы воды по отдельным интервалам;

 

 

t

 

-

продолжительность

 

 

интервалов.

 

 

 

-139 -

Сучетом выражения (13.10) ежегодные затраты на компенсация

потерь в туннеле могут бить представлены в следующем вине:

II

qKomii

9,81 \SL п1Чр Uia

'

8760

р а ид

 

. / с

-rTi

llM d"i>r

 

 

Р .1

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для безнапорных туннелей

ш есто

выражения

У,

( Q■ IL

)

можно принимать 0ср ОгМПкс

.

где

Q М0

-

максимальный

расход

воды, пропускаемый туннелем, а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оср-

i?i

Qi tl

 

 

 

 

 

(5,1?)

 

 

 

 

 

TWO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из уравнения

(5,5)

определим величину

Кг

 

 

 

 

 

 

 

Кт

=

т ы Л

=

m

L R2 0 ‘

 

 

 

(5.13)

где

т

Кг -

Kt

модульс

стоимости

туннеля

вн-

=

со,

 

 

СОп

ражакхуий все каппталовлогенил на один

 

 

 

 

 

 

 

 

дополнительный квадратный

метр живого

 

 

 

 

сечения туннеля, вычисляемый для тунне­

 

 

 

 

ля в целом по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

т =

S rrijA

руб,

 

 

 

 

 

где

(jJI}

(л)г - площади живого

L

 

 

 

 

м2 .

причем лско-

сечения туннеля,

?мое сечение со должно находиться в пределах,

 

определяемых площадями

(х){ и

ео2 ;

 

о

 

 

 

К1? Кг -

капиталовложения на

I

м

туннеля соот-

.

ветствеппой площади, руб;

ь.

 

Hit , f.i - модули стоимости и длины участков, на которые разбит туннель по характеру пород, величине внутреннего давления воды и конструкции туннеля.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ