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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в настоящей работе материалы, касающиеся компоновочных решений, конструкций водосбросов, применяемых схем сопряжения бьефов, а также основных затруднений в эксплуатации и различных видов повреждений водосбросных трактов и нижних бьефов гидроузлов с высокими бетонными пло­ тинами, позволяют сформулировать ряд общих положений и выявить тенден­ ции проектирования рассматриваемых типов сооружений, которые сводятся

кследующему.

1.Преобладающим типом водосбросов гидроузлов с высокими бетонными плотинами являются водосбросы с поверхностными водозаборами. На некото­

рых гидроузлах с высокими арочными плотинами в качестве основных водо­ сбросов в последнее время принимаются и глубинные трубчатые водосбросы, рассчитанные на значительные расходы (гидроузлы Кариба, Бауидери, Камбамбе, Кукуан). Для пропуска значительных расходов иногда могут исполь­ зоваться и туннельные глубинные водосбросы, но в составе гидроузлов с та­ кими водосбросами (Жеинссиа, Мареж, Наруго), как правило, имеются и водосбросы с поверхностными водозаборами.

2. В последние 20 лет в качестве основных водосбросов высоких гравита­ ционных плотин используются исключительно открытые водосбросы. Закры­ тые же водосбросы имеют в этом случае лишь вспомогательное значение. Для гидроузлов с арочными и контрфорсными плотинами довольно часто использу­ ются туннельные водосбросы с поверхностными водозаборами: с лобовым во­ дозабором и шахтные.

3. Для пропуска значительных сбросных расходов в период эксплуатации гидроузлов с гравитационными и контрфорсными плотинами наибольшее рас­ пространение получили водосбросы, совмещенные с русловой частью плотинытипа водосливов, а в случае гидроузлов с арочными плотинами — береговые водосбросы типа быстротоков или туннелей. Кроме того, на гребне арочных плотин довольно часто выполняются водосливные оголовки, переливаясь через которые вода затем свободно падает в нижний бьеф гидроузла. Последний тип водосбросов лишь в последнее время стал использоваться для пропуска паводков при значительных удельных расходах воды на гребне (гидроузлы Мосснрок, Вуглан, Кастенрейт, Понголопорт, Кавамата, Окура).

4. При пропуске сбросных расходов через водосливную часть плотины, расположенную в русле, чаще всего используются схемы сопряжения бьефов посредством дойного гидравлического прыжка и с отбросом струй носкамитрамплинами на значительное расстояние от сооружения. При первой из указан­ ных схем сопряжения бьефов гидравлический прыжок размещается в' пределах гладкого крепления или водобойного колодца, образованного с помощью водо­ бойной стенки. Эта схема сопряжения бьефов позволяет в большинстве случа­ ев разместить гндроэлектоостанцию непосредственно за плотиной. Из числа рассмотренных гидроузлов исключение представляют гидроузлы Сакума и Миранда, подпорные сооружения которых расположены в узких створах, а сбросные расходы водосбросов составляют около 10000 м3/сек. Удельные рас­ ходы в пределах креплений на ряде гидроузлов превышают 100 м21сек (на гидроузлах Бхакра, Сакума, Уаррагамба 130— 140 м?Ісек, на гидроузле Миран­ да 170' м2/сек, на гидроузле Сауселье около 230 м21сек).

При сопряжении бьефов отбросом струіі поскамн-трамилпнамн разместитьгидроэлектростанцию за гравитационной плотиной обычно представляется воз­ можным лишь при относительной ширине створа, большей 4,0—4,5, а в случае­ арочных плотин — при относительной ширине около 3. Расчетные сбросные рас­ ходы на многих построенных гидроузлах превышают 10000 м3/сек (гидроузлы Альдеадавила, Пикотэ. Пайн Флет, Срисайлам, Сипьаньцзян, Рихапд), а рас-- четные удельные расходы в пределах носков-трамплинов составляют в ряде •случаев более 100 м-'/свк (около 170 м2/сек на гидроузлах Альдеадавила и Пи­ котэ, около 150 .и2/сек— Шастан, около 130 м2/сек— Пайн Флет, Срисаплам_

Сарнпар).

Для обеих рассмотренных схем сопряжения бьефов избыточная кинети­ ческая энергия, которая гасится в нижнем бьефе, может достигать при расчет­ ных расходах 10 млн. кет и более (первая схема — гидроузлы Бхакра, Сакума,. Уаррагамба, Булл Шоалс и Сауселье, вторая схема — гидроузлы Срисайлам,. Синьаиьцзяи, Рихапд, Панн Флет и Альдеадавила).

5. Кроме указанных наиболее распространенных типов конструкций водо­ сбросов, совмещенных с русловой частью плотины, и наиболее часто встречаю­ щихся схем сопряжения бьефов, в практике проектирования п строительствагидроузлов с высокими плотинами использовались и другие схемы сопряжения и конструкции водосбросов, характерные для определенного типа плотин. Так, для водосбпосов гравитационных плотин в основном в США используется ком­ бинированная схема сопряжения бьефов и схема сопряжения бьефов посредст­ вом затопленного поверхностного прыжка. В случае комбинированной схемы на креплении в нижнем бьефе за водосливом при сравнительно небольших сбросных расходах наблюдается затопленный донный гидравлический прыжок,, а при значительных расходах струп воды отбрасываются от крепления. Естест­ венно. что в этом случае пропуск значительных расходов воды может вызватьсущественные разрушения коренных скальных пород вблизи крепления; следо­ вательно, необходимо заранее учесть возможность ремонтных работ его концевого участка. Такая схема сопряжения бьефов предусмотрена па ря­ де крупных сооружений (табл. 2), поэтому она может оказаться экономически оправданной. Комбинированная схема сопряжения бьефов выполнялась в от­ носительно широких створах, и гидроэлектростанции в этом случае размеща­ лись непосредственно за плотинами. При довольно значительных сбросных расходах (па Супхунском гидроузле 20 000 м3/сек) удельные расходы в преде­ лах крепления не превышали 50—60 -и2/сек, а на гидроузле Дворшак они со­ ставляют 155 м2/сек. Избыточная кинетическая энергия потока, которая долж­ на гаситься в нижнем бьефе гидроузла при этой схеме сопряжения, може-г быть весьма значительной: на гидроузлах Супхуи, Шаста и Дворшак ее мощ­ ность превышает 10 млн. кет.

Еще реже, чем указанная выше схема, используется для высоконапорпыхгидроузлов схема сопряжения бьефов посредством затопленного поверхностного' прыжка (табл. 3). На гидроузлах Граид Кули и Хеллс Каньон, где применена эта схема сопряжения бьефов, сбросные и удельные расходы воды весьма значительны, а так как плотины Гранд Кули и Хеллс Каньон имеют высоту более 100 м, то значительной является и величина кинетической энергии, кото­ рую необходимо погасить в нижнем бьефе.

При совмещении водосбросов с русловой частью арочной плотиныраспространены водосбросы с переливом расходов через гребень и свободным падением воды в нижний бьеф гидроузла, а также в ряде случае» трубчатые водосбросы в теле плотины.

Первый из этих типов водосбросов используется довольно широко для; пропуска сравнительно небольших расходрв. Для пропуска расходов, превы­ шающих 1000—3000 м3/сек, этот тип водосбросов стал широко использоваться в основном сравнительно -недавно (табл. 11). В настоящее время на двух гидроузлах с водосбросами такого типа сбросные расходы достигают 7000— 8000 мг/сек (Моссирок и Попголопорт). Удельные расходы на гребне ряда пло­ тни. составляют 30—40 м2/сек, а на гидроузле Мосснрок даже 150 м2/сек. В нижнем бьефе на большинстве гидроузлов с водосбросами этого типа избы­

132

сбросных расходов больше 1000 м3/сек н удельных расходах на гребне пло­ тины, превышающих 15 м2/сек, в нижнем бьефе таких водосбросов всегда вы­ полняется бетонное крепление, в пределах которого происходит гашение основной части избыточной кинетической энергии.

Трубчатые водосбросы в теле арочных плотин в качестве основных водо­ сбросов гидроузлов стали использоваться лишь в последнее десятилетие. Водо­ сбросы такого типа (табл. 13) оборудованы рабочими плоскими затворами^ рассчитанными на работу при напорах от 25 до 60 м, и предназначены в ос­ новном для пропуска значительных расходов воды (до 6000— 10000 м3/сек). Со­ пряжение бьефов при этом типе водосбросов осуществляется посредством от­ броса струп па значительное расстояние от сооружения, в нижних же бьефах этих гидроузлов должна гаситься избыточная кинетическая энергия, мощность

.которой достигает 7,0— 10,0 млн. кет (гидроузлы Кариба, Камбамбе, Баундери). При использовании указанных в этом пункте водосбросов арочных плотни

.здание гидроэлектростанции всегда выполняют за пределами створа плотины

Огатп вода сбрасывается в соседний водоток, а гидроузел Кемер возведен перед поворотом русла реки).

Открытые береговые водосбросы арочных и контрфорсных плотин, относи­ тельная ширина которых, как правило, меньше 3,0—3,5 (табл. 9, 14, 15), .вы­ полняются в виде водосливов или быстротоков. Водосливы могут размещаться в береговых частях арочных плотин (гидроузлы Верцаска и Каштелу ду Бодэ) либо в ее гравитационных устоях (гидроузел Рейпл). Водосбросы типа быстро­ токов располагаются как непосредственно в боковых частях арочных плотин (гидроузлы Камисиба и Росс) или на берегу у плотины (гидроузлы Бартлет, Буллард Бар, Карадж, IІовилла, Гузаиа, Тумут-Понд, Качн), так и на значи­ тельном удалении от плотины (гидроузлы Маникуаган-5, Кыр.джали). Сброс­ ные расходы на водосбросах рассматриваемого типа не превышали до послед­ него десятилетия 3000—4000 м3/сек, лишь расчетный расход водосброса много­ арочной плотины Бартлет составлял 4900 м3/сек. Сравнительно недавно было построено несколько гидроузлов, водосбросы которых имели большие сбросные расходы: гидроузлы Новилла 14200 м3/сек, Рейпл 11200 лР/сек, Буллард Бар 4530 м31сек. Ввиду того, что ширина .водосбросов в береговых примыканиях не превышает 40—50 м, значительные удельные расходы на таких гидроузлах наблюдаются более часто, чем на водосбросах, совмещенных с русловой частью плотины, например, на гидроузлах Качи и Каштелу ду Бодэ удельные рас­ ходы достигают соответственно 380 и 250 м2/сек.

Туннельные водосбросы чаще всего использовались в последние 20—25 лет

.для гидроузлов с арочными плотинами, относительная ширина которых, за исключением плотин Хангри Хоре и Моитичелло, не превышала 3,0 (табл. 16). Наиболее распространены при этом безнапорные туннельные водосбросы с ло­ бовым входом и шахтные. Максимальная пропускная способность одной нитки водосбросов с лобовым входом достигала почти 4000 м3/сек (гидроузел Глен Каньон), а шахтных водосбросов — до 3000 м3/сек.1 Удельные расходы на вы­ ходе из туннельных водосбросов всегда значительны и в ряде случаев дости­ гают 300 м2/сек (гидроузлы Глен Каньон и Кабрил).

При береговых открытых и закрытых водосбросах сопряжение бьефов осуществляется чаще всего посредством отброса струй от сооружения носкамитрамплинами. В редких случаях в нижнем бьефе таких водосбросов устраи­

1 Максимальные расходы через один туннель гидроузла Боул дер, построенного в 1936 г., составляют 5650 м3/сек.

13В

ваются водобойные колодцы (гидроузлы Огати и Пеллоутейл). Расходы, про­ пускаемые через водосбросы рассматриваемых типов, большей частью не стользначительны, как расходы водосбросов, совмещенных с русловой частью пло­ тимы. Поэтому и величина их избыточной кинетической энергии не превышает 5—6 млн. кет. Лишь на построенных в шестидесятых годах гидроузлах Глен Каньон, Пехлеви, Мовилла и Ренпл мощность сбросных расходов составляет' около 10 млн. кет.

7. При возведении высоких бетонных плотин на первом этапе строительст­ ва, когда уровни верхнего бьефа сравнительно невысоки, расходы воды про­ пускаются, как правило, в обход русла реки через строительные туннели или,, весьма редко, открытыми каналами (гидроузлы Тагокура и Эрраген). Пропуск расходов через стесненное перемычками русло применяется лишь в створах с отношением ширины к высоте больше 7—8 (гидроузлы Гранд Кули. Саньыыпься. Рп.канд). На последующих этапах строительства при более высоких, уровнях в водохранилище для пропуска расходов воды используются распо­ ложенные в один или несколько ярусов временные трубчатые водосбросы, либо вода пропускается через недостроенную плотину. В практике строительства за рубежом широко распространены перемычки, рассчитанные на сравнительно небольшие строительные расходы. Поэтому во время строительства происходит -неоднократное затопление котлована (гидроузлы Рейпл, Кариба и дп.). Для того, чтобы это затопление происходило организованно, предусматриваются специальные конструкции в перемычках.

8. Анализ основных типов повреждений водосбросных трактов и затрудне­ ний при эксплуатации гидроузлов показывает следующее.

а) Появление кавитации и кавитационной эрозии бетонных поверхностей и металлических облицовок водосбросных трактов в большинстве случаев можно предотвратить подбором очертания конструкций сооружений на основе экспериментальных исследований, а для некоторых элементов и путем расчеттых проработок. В ряде случаев причиной кавитационных разрушений являет­ ся некачественное выполнение обтекаемых потоком поверхностей .водосбросов, и нарушение требовании к составу и укладке бетона. Поэтому при строитель­ стве водосбросов высоких плотин серьезное внимание должно уделяться ка­ честву бетона, укладываемому у поверхностей водосбросов, соприкасающихся с высокоскоростным потоком.

б) Опасные абразивные разрушения бетонных поверхностей водосбросов высоких плотин наиболее характерны для расположенных под водой в нижнем бьефе носков и креплений дна. Уменьшить или предотвратить абразивный износ таких поверхностей удается, если в зоне гашения избыточной кинетической энергии не допустить появления обломков бетона и скалы, строительного мусора и других твердых предметов. Для того, чтобы -на бетонные поверхности ука­ занных сооружений не попадали продукты разрушения нижнего бьефа, необхо­ димо маневрирование затворами -водосброса осуществлять таким образом, что­ бы не допускать образования в нижнем бьефе обратных течений.

Эффективным конструктивным мероприятием, предохраняющим бетонное крепление от разрушения материалами, которые поступают со стороны нижнего, бьефа, является установленная в конце крепления водобойная стенка. Во вре­ мя возведения гидроузла необходимо принимать специальные меры, чтобы строительный мусор не -попадал на бетонное крепление за водосбросом.

в) Значительные разрушения коренных скальных пород в нижнем бьефегидроузлов наиболее характерны для схемы сопряжения бьефов с отбросом струй носками-трамплинами от сооружения. Образование в нижнем бьефеворонки размыва в значительной мере способствует гашению избыточной кине­ тической энергии и с этой точки зрения положительно влияет, на режим пото­ ка за .воронкой размыва. Вместе с тем значительный объем разрушений в ниж­ нем бьефе за водосбросом может вызвать подмыв сооружения, а в узких ство­ рах может угрожать и устойчивости береговых склонов. За ямой размыва мо­ жет образоваться гряда (бар), состоящая из продуктов разрушения, которая уменьшает действующий напор гидроэлектростанции и выработку электроэнер­ гии. Поэтому, например, на гидроузлах Пикотэ и Эгль приходилось -разбирать- эту гряду. Для уменьшения разрушений русла реки в нижнем бьефе применяют-

134

136

Продолжение табл.

137

3 39