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

тационных разрушений раздельного бычка в глубинном водосбросе совмещен­ ной гидроэлектростанции [261].

В современных сооружениях разрушения вследствие общей кавитации на­ блюдаются сравнительно редко, так как сейчас возможно прогнозировать об­ щее понижение давления в водосбросе либо в результате лабораторных иссле­ дований, либо на основе расчетных проработок. Для выполнения расчетов вакуумов в литературе имеется ряд рекомендаций: для входных оголовков [266— 270], для участков поворота тракта [270—275], для бычков [276], для участков за затворами [277]. Разработан и ряд конструктивных мероприятий, позволяю­ щих избежать значительных вакуумов на большом протяжении поверхности водосбросных сооружений. К числу таких мероприятий относятся следующие: придание поверхности водосброса обтекаемых очертаний, обжатие выходного сечения закрытых водосбросов или заглубление опасных с точки зрения воз­ никновения кавитации участков водосбросов н т. п.

Значительно чаще разрушения элементов водосбросных сооружений обус­ лавливаются локальными кавитационными явлениями. Такие разрушения на­ блюдались за пазами затворов, па поверхностях открытых и закрытых водосбросов, в водобойных колодцах, на бычках и гасителях. Они развивают­ ся на ограниченных участках поверхности, но ввиду того, что на разрушенной поверхности появляется ряд неровностей, кавитационная эрозия в этом случае может прогрессировать. Поэтому в ряде случаев локальная кавитация приво­ дила к весьма значительным разрушениям. Так, известны значительные повреждения водосливных поверхностей открытых водосбросов и безнапор­ ных туннельных водосбросов.

Наиболее существенные разрушения сливной поверхности наблюдались на •Супхунском гидроузле [49, 278]. На водосливе этого гидроузла за 12 лет экс­ плуатации объем разрушенного бетона достиг 10 тыс. м1, а глубина разруше­ ний— 2,4 м. Одной из основных причин повреждения сливной грани в этом случае являлась кавитационная эрозия шероховатой бетонной поверхности. В значительной степени кавитационные разрушения усугублялись неудовлетво­ рительным качеством бетона, который не соответствовал требованиям к гидро­ техническому бетону как с точки зрения морозостойкости, так и водонепрони­ цаемости. Это обстоятельство в условиях Супхунского гидроузла, где весной ежедневное прогревание и оттаивание бетонной поверхности сменяется ее за­ мораживанием нрчыо, является совершенно недопустимым.

Существенные разрушения бетона на водосливной поверхности имели место на Братском гидроузле [277]'.

Вследствие кавитационных воздействий некоторые разрушения произошли и на водосливах гидроузлов Гранд Кули и Альдеадавила [49, 126]. Незначи­ тельные по размерам эрозионные повреждения появились за местной неров­ ностью сливной грани водослива гидроузла Гранд Кулп после 8—9 лет его эксплуатации. Скорости в районе разрушений достигали 30 м/сек. Неровности бетона явились причиной кавитационной эрозии водослива гидроузла Альдеа­ давила при пропуске расхода, равного 5800 м3/сек; после проведенного здесь ремонта дальнейших разрушений не наблюдалось.

Как уже указывалось, в частности, применительно к Супхупскому гидро­ узлу. возникновению кавитационной эрозии способствует низкое качество бето­ на. Такие разрушения наблюдались, например, на старых плотинах, которые возводились еще в тот период, когда не было строгого контроля за качеством бетона. Так, на плотине Кеокук (США), высота которой около 17 м, возведен­ ной в 1913 г., через сорок лет эксплуатации пришлось заменить бетон на зна­ чительной части водосливных поверхностей [280].

1 Осмотр сооружения и анализ этих наблюдений показал, что эрозия'возникала за выступами и уступами на водосливной поверх­ ности высотой более 7 мм, на волнообразной поверхности, в местах выхода на поверхность водослива дренажных и аэрацион­ ных труб.

111

Ремонт поврежденных бетонных поверхностей является дорогостоящим' мероприятием и прежде всего потому, что ремонтные работы трудно механи­ зировать. Очень трудно при выполнении ремонтных работ обеспечить прочный контакт старого и вновь уложенного бетона. Для выполнения таких работ су­ ществует целый ряд методов [281 и др.], рассмотрение которых выходит за пре­ делы тематики этой книги. Особенно трудно производить ремонтные работы при разрушении поверхностей закрытых водообросов. К сожалению, в практикестроительства такие разрушения также неоднократно фиксировались.

Значительные разрушения (рис. 98) наблюдались при скоростях потока около 46 м/сек в -водосбросном туннеле плотины Боулдер [49, 282—285], кото­

4

7 -Ч

рый несколько месяцев пропускал расходы воды, равные 380 м3/сек (в течение нескольких часов расход достигал 1070 м3/сек). Разрушения имели место там, где наклонный участок водосбросного туннеля сопрягался с его отводящим участком, для которого использовалась часть строительного туннеля. При этом разрушения произошли в строительном туннеле, в бетонной пробке которогобыл выполнен -водоспуск для пропуска небольших расходов воды. Заделка этого участка затем была выполнена, по-вид-имому, -некачественно, и местная выпуклость в ней явилась причиной значительной эрозии бетона. Образовав­ шаяся в туннеле промоина достигала 35 м по длине, 9,5 м по ширине и 13,7 м по глубине, а объем вынесенного из промоин материала — бетона и скалы — составлял около 4500 м3.

Столь же значительные разрушения наблюдались во вспомогательном туннельном водосбросе гидроузла Альдеадавила [126]. Здесь причиной возник­ новения кавитационной эрозии явилось плохое выполнение швов бетониро­ вания, -в результате чего бетон оказался разрушенным на длине 50 м.

Некоторые незначительные повреждения вследствие кавитационной эрозии были обнаружены за поворотами в вертикальной плоскости шахтных водо­ сбросов Девис Бридж и Гибсон [286]. Таким образом, повороты трактов тун­ нельных -водосбросов особенно уязвимы с точки зрения возникновения кавита­ ционной эрозии, поэтому выполнение бетонной поверхности -на поворотах долж­ но быть особенно тщательным.

Учитывая изложенное, следует указать, что наличие на водосливных по­ верхностях каких-либо выступов и неровностей совершенно -недопустимо; эти •поверхности должны быть выполнены достаточно гладкими. В качестве п-риме-

112

ра можно привести плотину Бхакра [33], где при выполнении строительных ра­ бот все выступы шероховатости на сливной грани больше 3 мм были загла­ жены, и при пропуске через открытый водосброс значительных расходов при больших скоростях течения кавитационных явлении не наблюдалось.

Весьма распространенными являются кавитационные повреждения пазов затворов и околозатворпых участков. Особенно опасны такие повреждения в напорных водосбросах. В результате таких повреждении эксплуатация напор­ ных водосбросов может стать вообще невозможной. Разрушения за пазами затворов имели место на водосбросах гидроузлов Форт Пек, Денисон н Нор-

26 м/сек. В результате этих разрушений были сорваны металлический порог и почти вся металлическая об­

лицовка паза; бетон был разрушен на значительную глубину. Основными при­ чинами разрушений в строительных трубчатых водосбросах Бухтармннского гидроузла являются недостаточная подача воздуха на участок за пазами затво­ ров и неудачная конструкция пазов.

В настоящее время, чтобы избежать разрушений пазов высоконапорных плоских затворов, на основании исследовании, выполненных в кавитационных стендах, рекомендуется выполнять кромки пазов специальной формы. В ряде случаев к кромкам пазов рекомендуется подавать воздух [290, 291].

Подача необходимого количества воздуха в зоны возможной кавитации, способствующая значительному уменьшению вакуумов, является одним из эффективных мероприятий по защите от кавитации, в том числе, конечно, и от кавитации пазов и околозатворпых участков. Недостаточная подача воздуха в ряде случаев может привести к возникновению кавитационных разрушений. Так, некоторые разрушения уплотняющего порога сегментного затвора и1

околозатворного участка, ооусловлениис недостаточно)! подачей воздуха, на­ блюдались в строительных водосбросах Красноярского гидроузла {292]. После реконструкции системы подачи воздуха никаких разрушении в этих водосбро­ сах нс наблюдалось [293]. Вопрос о иодаче воздуха к уплотняющему порожку сегментного затвора рассматривался также применительно к строительному •водосбросу Пурекского гидроузла [294].

Кавитационные разрушения в водобойных колодцах наблюдаются при на­ личии в них плохо обтекаемых элементов. Наиболее распространены разруше­ ния гасителей энергии, расположенных близко к сжатому сечению за плотимой. Широко известны, например, разрушения гасителей Боішевп.пьскоіі плотины,

гут быть причиной появления таких неровностей.

При наличии неровностей в водобойном колодце высокоиапорного гидро­ узла, как показал, например, опыт эксплуатации гидроузла Булл Шоалс, кави­ тационные воздействия могут привести к весьма значительным разрушениям [47—49]. Дно водобойного колодца этого гидроузла было выполнено ступен­ чатым (рис. 14), при толщине крепления 1,5 м высоты ступеней равнялись 0,3; 0,46; 0,76; и 0,76 м. При осмотре водобойного колодца в 1952 г. (строительство сооружения было завершено в 1951 г.) были обнаружены разрушения крепле­ ния, которые были особенно существенны на ближайшей к плотине ступени и достигали по глубине от поверхности крепления 0,6—1,07 м (рис. 100). Про­ пуск расходов осуществлялся при этом через трубчатые водосбросы, а прыжок в нижнем бьефе был отогнанным. Причиной кавитационных разрушении, как предполагается в [49]. является в этом случае образование па ступенях вихре­ вых зон со значительными пульсирующими вакуумами. После соответствую­ щего лабораторного обоснования первым трем уступам крепления гидроузла Булл Шоалс была придана обтекаемая форма, а в конце крепления была уста­ новлена прорезная стенка высотой 2,4 м и сплошная стенка высотой 3,6 м, что обеспечило затопление гидравлического прыжка.

Весьма существенные разрушения бетона наблюдались за выходным сече­ нием трубчатых водосбросов гидроузла Лаки Пик [47—49]. Эти 'разрушения имели место на носке-трамплине при частичном открытии затворов, устапов-

ленных в конце водосброса.

Перечисленные выше примеры разрушений трактов водосбросных соору­ жений вследствие кавитационных воздействий указывают на возможность воз-

114

гресса эрозии за 8 месяцев отмечено не было. Эрозия носка водослива гидро­ узла Гранд Кули носила в основном абразивный характер, так как поверхность разрушенных участков была гладкой, отшлифованной. Лишь в блоках 31, 32, 38, где обнажения бетонной поверхности были неровными, по всей видимости, имела место и кавитационная эрозия.

Рассматриваемые разрушения носка иодоелнва не представляли опаснос­ ти для самоіі плотины. Тем не менее они были столь значительными, что был произведен ремонт с помощью кессона. Кессон запроектировали таким образом, чтобы его и в дальнейшем можно было использовать для ремонта и осмотра сооружения.

Абразивные воздействия являются причиной повреждении поверхностей креплении нижнего бьефа, а в некоторых случаях — гасителей энергии. Такого

Рис. 102. Абразивные разрушения крепления в нижнем бьефе плотины Бхакра

рода явления наблюдались на гидроузлах Бхакра [33, 299], Сауселье [126], Сан-Эстебан [124], Навейе и Тринити [300], Денисом [47—49] и па водобое строительных водосбросов Красноярского гидроузла [301].

Разрушения водобоя плотины Бхакра произошли в строительный период (конструкция плотины и водобоя показаны на рис. 3 и 4). Водобой плотины Бхакра был расположен ниже аллювиальных отложений в русле реки (рис. 4), поэтому при работе части фронта водосбросов галька и валуны обратными те­ чениями воды могли заносится на водобой. После пропуска в течение четырех лет многоводных паводков через недостроенную плотину водобой был обсле­ дован водолазами, которые обнаружили на нем около 1500 м3 гальки и валу­ нов, а также значительное количество металлического лома. Часть обнаружен­ ного мусора попала на водобой при разрушении одного из временных труб­ чатых водосбросов. После очистки водобоя от мусора были обнаружены раз­ рушения (рис. 102). На небольшом по площади участке разрушения достигали глубины 0,6—0,9 м.

Осушение водобоя в условиях плотины Бхакра потребовало бы сооруже­ ния перемычки высотой 24 поэтому водобой очищался водолазами с по­ мощью плавучих кранов. Для ремонта использовался специальный бетон, который укладывался под водой. После ремонта водобоя поверхностный водо­ сброс и глубинные водоспуски гидроузла Бхакра работали два года, и после­

116

дующим осмотр водобоя показал, что дальнейших разрушений практически ие наблюдается.

Разрушения водобоя плотины Сауселье [126], краткие сведения о которой приведены в § 13, так же, как и на гидроузле Бхакра, имели место в строи­ тельный период. Основная часть плотины в это время была возведена почти па всю высоту, а строительные расходы пропускались через два недостроенных блока плотины. При сбросных расходах 5500 м?/сек произошло разрушение

нии гидравлических исследований водобойных устройств предполагалось, что валец под транзитным потоком, образующийся при такой конструкции конце­ вого участка плотины, будет способствовать интенсивному гашению избы-

точной кинетической энергии потока. Русло реки между концевым участком плотины и водобойной стенкой не было облицовано. На водосливной поверх­ ности водосброса были установлены три направляющие стенки, которые рас­

117

пределяли р.исход равномерно по ширине колодца. До тех пор, пока из дна реки за концевым участком плотины не были вырваны куски скалы, на этих направляющих стенках не было отмечено сколь-нибудь существенных повреж­ дении. При расходе воды через водослив, равном 3500 мгІсек, обломки скалы были занесены вальцом гидравлического прыжка па концевой участок пло­ тины, и бетон на этом участке подвергся значительному разрушению (рис. 106).

Разрушения в водобойном колодце гидроузла Сан-Эстебан потребовали проведения дополнительных гидравлических исследований, которые позволили

усовершенствовать конструкцию водобойного колодца (рис. 46). После ремонт­ ных работ через сооружение пропускались расходы воды до 3500 м3/сек, раз­ рушения бетона при этом были незначительны, и они были легко устранены.

Водобойные колодцы трубчатых водосбросов гидроузлов Павейе и Трини­ ти— стандартного типа, разработанного Бюро мелиораций США [300]. При ос­ мотре после пропуска паводков в этих колодцах было обнаружено большое ко­ личество гравия, валунов н различных обломков, которые попали в колодцы со стороны нижнего бьефа, где русло было укреплено каменной наброской. Под слоем отложений в водобойном колодце гидроузла Навейе были обнаружены разрушения бетона глубиной до 1,2 м. В колодце гидроузла Тринити макси­ мальная глубина разрушений достигала 0,6 м.

Абразивные разрушения поверхности бетона наблюдались и на бетонном креплении за строительными водосбросами Красноярского гидроузла [301] П

Абразивное воздействие явилось причиной разрушений и иа плите водобоя Широковского гидроузла [49, 284, 302]1.

Как видно из приведенных материалов, основной причиной разрушений крепления нижнего бьефа высоконапорных гидроузлов при сопряжении бьефов посредством гидравлического прыжка являются абразивные воздействия. По­ этому, чтобы предупредить разрушение креплений водобойных колодцев, необ­ ходимо устранить возможность попадания на крепление камня, обломков бето­ на, металлолома и т. п. Если не будет допущено инженерных просчетов, таких, например, как вызвавшие разрушение дренажной системы на гидроузле Сау-

1 Глубина разрушения этого крепления не превышала 5—7 см.

2 В строительный период расходы воды пропускались через недостроенную облегченную плотину, и часть камня из се полостей была вынесена в нижний бьеф. Общая площадь разрушений бетон­ ной поверхности составляла 600 м2, а объем— 180 м3. Причиной этих разрушений, возможно, явилось и неудовлетворительное ка­ чество бетона, уложенного незадолго до пропуска паводка.

118

ссльс и временного водоспуска гидроузла Бхакра, то от поступлеішя продуктов размывов и разрушения коренных скальных пород со стороны нижнего бьефа может предохранить водобойная стенка, установленная в конце колодца.

Следует обратить внимание на то, что почти все разрушения водобоев вследствие абразивных воздействий произошли в строительный период. Поэто­

ления. Существенные разрушения коренных скальных пород за креплением для высокопапорных гидроузлов нехарактерны. Такого рода разрушения воз­ никают, как правило, при сопряжении бьефов отбросом струй от сооружения носками-трамплинами, а при донном режиме сопряжения бьефов существенные разрушения коренных скальных пород имеют место лишь в том случае, когда по каким-либо причинам не происходит достаточного гашения избыточной ки­ нетической энергии в пределах водобоя.

При схеме сопряжения бьефов посредством отброса струй от сооружения гашение избыточной кинетической энергии происходит в основном в образо­ вавшейся в месте их падения воронке размыва, которая оказывает благоприят­ ное влияние на режим потока за ней. Но глубина воронки размыва может оказаться столь значительной, что ома будет угрожать подмывом плотины, а в узких створах и нарушением устойчивости береговых склонов. За воронкой размыва может появиться гряда отложений материалов разрушения коренных скальных пород (бар), которая в узком каньоне будет способствовать подъему уровней воды па участке, примыкающем к водосбросу. Этот подъем может вызвать затопление строительных или пристанционных площадок, расположеи- ■ных в нижнем бьефе гидроузла, а при размещении гидроэлектростанции за пло­ тиной он может уменьшить ее действующий напор и выработку электроэнергии.

119