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

в туннелях фиксируется установленными на входе в водосбросы забральными балками. На выходе из водосбросов, благодаря резкому переходу от кругового ■сечения туннеля к узкому прямоугольному, вода отбрасывается в русло реки узким вертикальным веером. Пропускная способность обоих туннелей 4000 м3/сек.

Арочная часть плотины Кабрил не ослаблена прорезями, так как турбин­ ные водоводы гидроэлектростанции и донный водоспуск, предназначенный для промыва водохранилища, размещаются в цоколе плотины. Донный водоспуск диаметром 3,2 м рассчитан на пропуск 200 м3/сек воды и оборудован в конце затвором, рассеивающим струи воды. Водоспуск расположен между гидроагре­ гатами гидроэлектростанцин.

Как уже указывалось, безнапорные туннельные водосбросы входят в состав японского гидроузла Навогадо [128, 237] и гидроузла в США Флеминг-Гордж [238—239]. Из табл. 16 видно, что сбросные расходы водосбросов указанных гидроузлов сравнительно невелики, и поэтому на их рассмотрении не будем останавливаться.

В последнее время в составе гидроузлов с арочными плотинами стали чаще использоваться и шахтные водосбросы, рассчитанные па значительные напоры и довольно значительные расходы. До недавнего времени крупнейшим водосбросом такого типа считался водосброс гидроузла Хангри Хоре. Сейчас построены водосбросы, по своим размерам не уступающие водосбросу гидро­ узла Хангри Хоре, а в некоторых случаях даже превосходящие его.

Шахтные водосбросы имеют как преимущества, так и некоторые недостат­ ки по сравнению с безнапорными туннельными водосбросами. К. числу преи­ муществ шахтных водосбросов следует отнести прежде всего наличие верти­ кальной шахты, проходка которой значительно дешевле, чем проходка наклон­ ной шахты, а размеры поперечного сечения всего тракта меньше, чем попереч­ ного сечения безнапорных туннельных водосбросов.

К недостаткам шахтных водосбросов относятся необходимость значитель­ ной форсировки уровня верхнего бьефа при небольшом превышении расходов по сравнению с расчетными и необходимость создания площадки для коль­ цевого водослива '.

Переходя к рассмотрению шахтных водосбросов конкретных гидроузлов, остановимся прежде всего на водосбросах гидроузла Пехлеви. Гидроузел Пехлеви (Дез) возведен в Иране на р. Дез [210, 241—243] для выработки энер­ гии и ирригации. В состав гидроузла входят арочная плотина двоякой кри­ визны высотой 191 .и и длиной по гребню 250 м, подземное здание гидроэлек­ тростанции (общая мощность гидроагрегатов в перспективе 520 Мет), водо­ приемник и подводящие туннели гидроэлектростанции, и два расположенных на левом берегу шахтных водосброса. Вода из здания гидроэлектростанции от­ водится под прямым углом к руслу реки в непосредственной близости от плоти­ ны. Выход из водосбросных сооружений расположен на расстоянии около 250 м от плотины.

Шахтные водосбросы диаметром 14,0 м и 12,6 м рассчитаны на пропуск расхода 5900 м3[сек. Длина каждого из водосбросов достигает 400 м. Верти­ кальные шахты этих водосбросов сопрягаются с отводящими трактами под углом 90°, а глубина их составляет 100 и 80 м. На концевом участке шахтные водосбросы снабжены устройством для распределения потока. На входе в каж­ дом шахтном водосбросе установлены сегментные затворы.

В теле плотины Пехлеви имеются три водоспуока диаметром 3,3 м каждый. На выходе из водоспусков установлены конусные затворы диаметром 1,83 м, работающие под напором 127,3 м. Пропускная способность водоспусков при минимальном уровне водохранилища составляет 160 м3/сек. В строительный

101

тайный на расход десятипроцентной обеспеченности — 2000 м3/сек. Плотина.' возведена на известняковых конгломератах, не имеющих каких-либо полостей.' или сбросов, но слегка проницаемых для воды; поэтому потребовалась цемен­ тация основания. Проект сооружений гидроузла Пехлеви выполнен американ­ скими и итальянскими специалистами; строительные работы на гидроузле ве­ лись итальянской фирмой.

Рис. 92. План гидроузла Хангри Хоре

Шахтный водосброс, как уже упоминалось выше, используется для про­ пуска паводковых расходов и на гидроузле Хангри Хоре [16, 240, 244], возве­ денном на р. Флетхед в США. В состав гидроузла Хангри Хоре (рис. 92) вхо­

Рис. 93. Разрез по шахтному водосбросу гидроузла Хангри Хоре.

ре гидроагрегата общей мощностью 289 Мет, и расположенный на правом бе­ регу шахтный водосброс.

Водосброс этого гидроузла (рис. 93) имеет наклонную шахту, диаметр ко­ торой уменьшается с 10,61 до 7,47 м (минимальный диаметр входной воронки

На гребне водосброса установлен кольцевой вододействующий затвор, диаметр» которого 19,5 м, а высота 3,6 м.

102

В теле плотины Хангри Хоре расположены три глубинных водоспуска, про­ пускная способность которых 133 м3/сек. Эти водоспуски оборудованы конус­ ными затворами диаметром 2,44 м. Во время строительства гидроузла Хангри Хоре расходы реки пропускались через туннель диаметром 11,0 м.

Интересно отметить, что при проектировании гидроузла Хангри Хоре рас­ сматривались варианты с арочно-гравитационной плотиной и совмещением гидроэлектростанции и водосброса с плотиной, с размещением водосброса в плотине и подземной гидроэлектростанцией. Эти варианты оказались более дорогостоящими, чем рассмотренный выше.

Рис. 94. План гидроузла Докан

будущем. Основным назначением гидроузла Докан является ирригация. В состав гидроузла входят два ирригационных туннельных водоспуска, распо­ ложенных на правом берегу реки. Водоспуски диаметром 4,85 м оборудованы конусными затворами диаметром 2,25 м. Расход, пропускаемый через водо­ спуски при нормальном подпертом уровне воды в водохранилище, достигает 350 м31сек (при напоре около 100 м).

103

Водосбросные сооружения гидроузла, расположенные на довольно значи­ тельном удалении от плотины, состоят из безнапорного туннельного и шахт­ ного -водосбросов. Безнапорный туннельный водосброс имеет короткий наклон­

ХІ0 м; безнапорный режим в туннеле фиксируется забральной балкой. Дно выходного сечения этого туннеля находится примерно на 50 м выше уровня воды в р. Лезер Цаб. Пропускная способность безнапорного туннельного водо­ сброса гидроузла Докан составляет около 2500 м3/сек.

Шахтный водосброс гидроузла Докам (рис. 95) предназначен для про­ пуска катастрофических паводковых расходов. Затворов на входном оголовке

Рис. 95. Продольный разрез шахтного водосброса гидроузла Докам

3—трасса строительного туннеля; 2—входная воронка; 3—вертикальная шахта; -/—бетонные пробки; 5 —стальная облицовка.

водосброса, имеющем диаметр 40,3 м, не предусматривается. Прямолинейная вертикальная шахта сопрягается с отводящим участком тракта водосброса под прямым углом. Диаметр вертикальной шахты равен 12,5 м. В качестве отводящего участка шахтного водосброса используется часть тракта строи­ тельного туннеля, но, чтобы уменьшить на этом участке скорости, предотвра­ тить переходные режимы и кавитационные явления, диаметр этого участка был уменьшен до 10,2 м. Кроме того, низовому участку тракта шахтного водосбро­ са придан обратный уклон, и он образует с руслом реки меньший угол (в гори­ зонтальной плоскости), чем строительный туннель (рис. 94). Выходной участок шахтного водосброса выполнен в металлической облицовке. Максимальная про­ пускная способность шахтного водосброса составляет около 2050 м3/сек. Про­ ект гидроузла Докан рассматривался европейскими специалистами, а строи­ тельные работы выполнялись французской фирмой.

Шахтный водосброс является основным водосбросным сооружением ® со­ ставе гидроузла Таи-п-Солейман [251, 252], построенного на р. Тайян-Руд в Ираке. Этот гидроузел возведен с целью орошения, и его водохранилище создано арочной плотиной, высота которой 100 м, а длина по гребню 198 м. Шахтный водосброс с диаметром вертикального стояка и отводящего туннеля около 9,0 м рассчитан на пропуск 2000 иР/сек воды. На выходе водосброс снабжен носком-трамплином для отброса потока от сооружения. Кроме шахт­ ного водосброса в состав гидроузла входит поверхностный семилролетный водосброс, расположенный на гребне арочной плотины, его пропускная спо­ собность 500 м31сек. В теле плотины имеются расположенные в два яруса глу­ бинные водоспуски, основное назначение которых — ирригационные попуски.

В период строительства гидроузла расходы реки пропускались через строи­ тельный туннель, большая часть которого использовалась затем как отводящий тракт шахтного водосброса. В основании плотины Таи-и-Соленмак залегают

104

неоднородные породы: песчаники, аргиллиты, известняки. Мощность аллюви­ альных отложении в реке составляет 10—20 м. Гидроузел Тан-.и-Солейман ■строился при активном участии английских специалистов («Гибб и компания»).

Шахтные водосбросы, пропускающие несколько меньшие сбросные рас­ ходы, чем водосбросы гидроузлов, перечисленных выше, входят также в состав гидроузла Монтичелло [253] и Оахи [94, 240, 254], построенных в США.

Рис. 96. План гидроузла Наруго

/ —верховая перемычка; 2 —строительный туннель; 5 —бетонное крепле­ ние берега: -/—низовая перемычка; 5—туішельный водосброс; б—креп­ ление русла с отклонителем потока.

Глубинные водосбросы туннельного типа как основные водосбросы редко используются в практике проектирования гидроузлов с арочными плотинами. Следует остановиться «а водосбросах гидроузлов Наруго и Мареж (такой водосброс использовался и на гидроузле Докан).

Рис. 97. Продольный разрез по туннельному водосбросу гидроузла Наруго

/-деф лектор; 2—шахта для подачи воздуха.

Гидроузел Наруго [34] построен на р. йай с целью регулирования павод­ ков, выработки электроэнергии и орошения. В состав гидроузла (рис. 96) вхо­ дит арочная плотина высотой 94,5 м, длиной по гребню 215 м и расположен­ ный в массиве левого берега туннельный водосброс. Входной порог этого во­ досброса (рис. 97) заглублен под уровень воды на 19—21 м. Начальный участок туннельного водосброса рассчитан на работу в напорном режиме. Площадь его

105

поперечного сечения постепенно уменьшается от входного оголовка до участка резкого сужения поперечного сечения (дефлектора). За дефлектором туннель­ ный водосброс работает на всей длине в безнапорном режиме течения. На участок водосброса за дефлектором организован подвод воздуха из атмосферы.

Кроме туннельного водосброса па гидроузле Наруго выполнен водосливной" оголовок на гребне плотины. В месте падения струй с гребня плотины в нижнем бьефе сооружения предусмотрено крепление русла реки, в конце которого уста­ новлен отклонитель потока. Общая пропускная способность обоих водосбросовгидроузла Наруго достигает 2000 мэ/сск.

(мощность четырех агрегатов 140 Мет), водоприемника и напорных водоводовгидроэлектростанции, размещающихся в скальном массиве правого берега.

Водосбросы гидроузла расположены на обоих берегах в примыканиях пло­ тины. На левом берегу — два донных водосброса с площадью поперечного се­ чения каждого из них 50 м2. В массивном правобережном устое плотины рас­ положен трехпролетный водослив, оборудованный плоскими затворами разме­ ром 7,5Х5,0 м. Пропускная способность донных водосбросов гидроузла состав­ ляет 2700 м3/сек, а водослива — 750 м31сек.

Существенным преимуществом глубинных водосбросов является возмож­ ность пропуска расходов при большой сработке уровней воды в верхнем бье­ фе. Недостатком глубинных водосбросов является то. что, как и в случае шахт­ ных водосбросов, незначительное увеличение расходов по сравнению с расчет­ ными требует значительного повышения уровней воды водохранилища. Поэто­ му не случайно в состав обоих рассмотренных здесь гидроузлов, где основ­ ными водосбросами являются глубинные, включены еще и поверхностные водо­ сбросы. Эксплуатация туннельных водосбросов с глубинным водозабором мо­ жет быть затруднена также из-за автономного расположения их затворногопомещения относительно плотины.

Гидроузлом, туннельные водосбросы которого рассчитаны на значитель­ ные расходы, является гидроузел Бумифол. К сожалению, сведения в лите­ ратуре о водосбросах гидроузла Бумифол [257—259], возведенного на р. Пинг в Таиланде, весьма скудны. Судя по тому, что на входе в оба водосброса, рассчитанных на пропуск 6000 м31сек воды, установлены сегментные затворы значительных размеров, эти водосбросы предназначены для работы при безна­ порном течении жидкости.

В заключение необходимо отметить следующее.

1. Туннельные водосбросы применяют в основном в сочетании с ароч­ ными плотинами. Лишь в США этот тип водосбросов используется и в составегидроузлов с арочно-гравитационными плотинами.

2.В качестве основных эксплуатационных водосбросов гидроузлов с ароч­ ными или арочно-гравитационными плотинами используются в большинстве случаев безнапорные туннели с лобовым поверхностным водозабором или шахтные туннельные водосбросы. Туннельные водосбросы с глубинным водо­ забором почти не строились.

3.Сбросные расходы через один туннельный водосброс достигали в слу­ чае безнапорного режима потока в нем 4000 м31сек, а в шахтных водосбросах— 3000 м3/сек. Для пропуска паводковых расходов использовались туннели зна­ чительных диаметров (до 14 м).

4.Весьма значительны удельные расходы на выходе из туннельных водо­ сбросов (до 300 л£г/сек); тем не менее в этом случае не наблюдается особых затруднений, связанных с эксплуатацией нижних бьефов гидроузлов.

5.При наличии в составе гидроузла туннельного водосброса здание гидро­ электростанции, как правило, располагается за плотиной.

106

19.ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ВОДОСБРОСОВ ГИДРОУЗЛОВ С АРОЧНЫМИ

ИАРОЧНО-ГРАВИТАЦИОННЫМИ ПЛОТИНАМИ

Гидроузлы с арочными и арочно-гравитационными плотинами, водосброс­ ные сооружения которых пропускают значительные расходы, характеризуются следуіоіцими особен»остями:

1. В составе гидроузлов с арочпо-гравнтационными и особенно с арочны­ ми плотинами широко используются водосбросы, расположенные в берегах реки. При таком размещении водосбросов гидроэлектростанция возводится, как правило, непосредственно за плотиной.

2.Сбросные расходы через поверхностные водосбросы в боковых примы­ каниях до недавнего' времени не превосходили 4000—5000 м3/сек. На гидроуз­ лах Ренпл и Новилла расчетные расходы водосбросов превышают 10000 м3/сек.

3.Величина удельных расходов поверхностных водосбросов в боковых примыканиях в ряде случаев достигает 250—380 м31сек (гидроузлы Каштелу ду Бодэ и Качи).

4.В составе гидроузлов с рассматриваемыми типами плотин в основном используются два типа туннельных водосбросов: с лобовым водозабором и

безнапорным режимом потока на всей длине тракта и шахтные. Максимальные

3000 м3/сеіс (гидроузел Пехлеви). Максимальная площадь поперечного сече­ ния туннельного водосброса достигала 150 .и2.

5. Сопряжение бьефов гидроузлов с водосбросами, расположенными в бо­ ковых примыканиях, осуществляется, как правило, посредством отброса струн от сооружения.

6. Часто при проектировании и строительстве арочных плотин используют­ ся водосбросы с переливом струй через гребень плотины и со свободным паде­ нием их в нижний бьеф. При такой схеме сопряжения бьефов струи воды падают недалеко от подошвы плотины, поэтому даже при небольших удель­ ных расходах (10— 15 м2/сек) у подошвы плотин предусматривается бетонное крепление. В нижнем бьефе водосбросов такого типа с большими удельными расходами (до 40—50 м2/сек) имеются сооружения для гашения избыточной кинетической энергии — водобойные колодцы (гидроузлы Вуглан, Попголопеот.

7. Водосбросы с переливом воды через гребень плотины и со свободным падением ее в нижний бьеф часто выполняют нерегулируемыми даже при до­

вольно значительных удельных расходах (гидроузел Понголопорт, например, где <7=45 м2/сек).

8. Для большинства іидроузлов, имеющих водосбросы с переливом струй через гребень плотины и свободным, падением их в нижний бьеф, характерны деривационные гидроэлектростанции.

9. При совмещении водосбросов с плотинами сопряжение бьефов по типу донного гидравлически го прыжка или отбросом струи от сооружения характер­ но для арочно-гравитационных плотин. Пример водосбросов гидроузла Пикотз показывает, что использование такого типа сопряжения бьефов в составе гид­ роузла с арочной плотиной требует специальной сложной и дорогостоящей конструкции.

10. Водобойные колодцы водосбросов арочно-гравитационных плотин в ос­ новном более сл іжной конструкции, чем колодцы водосбросов гравитационных и контрфорсных плотим. Это обусловлено радиальным направлением элементов прочно-гравитационных плотин и необходимостью вследствие этого специаль­ ных мероприятий для равномерного распределения потока по ширине колодца.

107

Глава IV. ЗАТРУДНЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГИДРОУЗЛОВ, И НЕКОТОРЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И УСТРАНЕНИЮ

В процессе эксплуатации водосбросных сооружений ряда гидроузлов на­ блюдались разрушения их трактов, коренных скальных пород -в нижнем бьефе_ а также образование водяной пыли. Эти явления препятствуют нормальной эксплуатации сооружений гидроузлов, а в некоторых случаях создают угрозу их разрушения.

Основными причинами, вызывающими разрушение бетонных и металли­ ческих поверхностей трактов высоконапорных гидроузлов, являются кавитация и сопутствующая ей кавитационная эрозия, абразивное воздействие твердых тел (обломков бетона и скалы, 'валунов, гравия, металлолома, бревен и т. л.), взвешенных н воде, и гидродинамические нагрузки. Особенно опасными раз­ рушения бетонных поверхностей водосбросов могут быть при совместном воз­ действии указанных явлений (например, при совместном действии кавитации и абразивного износа). Опасность разрушения бетонных поверхностей в значи­ тельной мере увеличивается при укладке в сооружение бетона плохогокачества.

Переходя к рассмотрению негативного опыта эксплуатации водосбросных, сооружений гидроузлов, считаем необходимым напомнить, что большинство построенных водосбросных сооружений работает удовлетворительно, а на т.ех сооружениях, где отмечались повреждения, своевременными мерами обычно удавалось предотвратить опасность их дальнейшего разрушения.

Предупреждению и устранению эксплуатационных затруднений в значи­ тельной мере способствуют гидравлические исследования водосбросных соору­ жений на моделях, которые, как правило, проводятся параллельно с их проек­ тированием. Экспериментальные исследования и теоретические разработки, связанные с расчетом гидравлических характеристик высокоскоростных пото­ ков, уже сейчас позволяют в большинстве случаев избежать в натурных усло­ виях опасных разрушений сооружений. Не ставя перед собой задачу деталь­ ного рассмотрения методов гидравлических расчетов и исследований водо­ сбросных сооружений, при дальнейшем изложении, параллельно с рассмотре­ нием вопроса о том, какие затруднения выявлены при эксплуатации водосбро­ сов, укажем на некоторые из методов, позволяющих прогнозировать и предот­ вратить эти затруднения.

20. КАВИТАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭЛЕМЕНТЫ

ВОДОСБРОСНОГО ТРАКТА И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ1

Явление кавитации заключается в появлении разрывов сплошности потока капельной жидкости [260], которые возникают в областях, где вследствие пе­

109