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

очертанием плотины основные конструктивные элементы водослива и водо­ бойного колодца имеют радиальное направление. Водобойный колодец сужает­ ся в плане до 46 м, а удельные рисходы в конце колодца достигают 120 м~{сск~ Водосливная грань плотины сопрягается с дном водобойного колодца уступом,, а в конце водосливной грани имеются расщепители потока. Под уступ подво­

створа (/,•//-/= 1,9) гидроэлек­ тростанция вынесена за пределы створа плотины.

Использование гашения энергии в донном гидравлическом прыжке позво­ лило довести удельные расходы сбрасываемого потока до 100—140 м2/сек при:

Рис. 13. План и вид с нижнего бьефа гидроузла Булл Шоа.іс

/ —здание гидроэлектростанции; 2 —напорные водоводы неустановленных гидро­ агрегатов; 3 —водослив; 4 —водобойный колодец; 5 —распределительное устройство.

весьма значительных перепадах уровнен. Гашение избыточной кинетической' энергии и сопряжение бьефов с помощью донного гидравлического прыжка осуществляется не только в узких створах, по иногда и в достаточно широких, створах (Іг/Н = 5ч-8). При этом удельные расходы сбрасываемого потока обыч­ но значительно меньше, чем в узких створах (табл. 1). Из этих гидроузлов наибольшие сбросные .расходы имеют место на гидроузле Булл Шоалс, построен­ ном на р. Уайт в США. Плотина этого гидроузла [46—49], построенного для.

20

выработки электроэнергии и регулирования паводков, имеет высоту 86 м при

В водосливной части плотины предусмотрены также шестнадцать водоспусков, размеры поперечного сечения которых 1,22x2,74 м. Установленные в спецналь-

в колодец до 40 MjccK такая конструкция колодца оказалась неудачной, и впоследствии пришлось провести реконструкцию крепления [39, 47—49]. Более подробно этот вопрос рассматривается в § 20.

Интересно отметить, что в литературе имеются сведения о сопоставлении вариантов компоновки этого гидроузла с различными типами плотин. Вариант с земляной плотиной оказался неприемлемым из-за отсутствия подходящих ма­ териалов. Стоимость вариантов с камеинонабросной, контрфорсной и много­ арочной плотинами оказалась несколько меньшей, чем варианта с гравитацион­ ной плотиной, но ввиду других существенных преимуществ компоновки гид­ роузла с гравитационной плотиной было принято решение остановиться на этом варианте.

Лет 30—40 назад водобойные колодцы довольно широко применялись в США для гашения избыточной кинетической энергии паводковых расходов на гидроузлах с гравитационными плотинами высотой 70—80 м. Примерами таких сооружений являются приведенный в табл. 1 гидроузел Норрис, гидроузел -Чероки и др. [50].

Как видно из табл. 1, в последнее время при наличии в составе гидро­ узла гравитационной плотины наметилась тенденция использовать сопряжение ■бьефов и гашение избыточной кинетической энергии в донном гидравлическом прыжке лишь в том случае, когда гидроэлектростанция и водосбросные со­ оружения, предназначенные для пропуска значительных расходов, размещают­ ся в одном створе. Наибольшее распространение такая компоновка основных сооружений гидроѵзлов получила для сравнительно узких створов (/Г/Я около 3,0).

21

5. ВОДОСБРОСЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМОЙ

СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ

При сопряжении бьефов посредством донного гидравлического прыжка ■в нижнем бьефе гидроузла необходимо устройство довольно дорогостоящего крепления. Если сооружение рассчитано на работу при донном режиме во всем диапазоне сбросных расходов, то расчет крепления производится исходя из ус­ ловий пропуска значительных расходов, равных или близких к максимальному расчетному. Такие расходы наблюдаются при эксплуатации гидроузлов весьма редко. Поэтому при проектировании ряда гидроузлов водобойный колодец, выполненный в виде ковша, рассчитывался таким образом, чтобы при часто повторяющихся расходах в колодце наблюдался донный гидравлический пры­ жок, а при значительных расходах поток отбрасывался из ковша, как с низкорасположенного носка-трамплина. Условно такой тип сопряжения бьефов будем называть комбинированным; при этом предполагается, что за водобой­ ным колодцем-ковшом при значительных расходах могут наблюдаться разру­ шения коренных пород в русле реки.

Таблица 2

Гидроузлы, на водосбросах которых предусмотрена комбинированная схема сопряжения бьефов

Ряд гидроузлов, где сопряжение бьефов осуществляется подобным обра­ зом, приведен в табл. 2. В основном такой тип сопряжения бьефов применяет­ ся на гидроузлах в США.

Подобная схема сопряжения бьефов предусмотрена на одном из крупней­ ших в США гидроузлов — гидроузле Дворшак на р. Клир-Вотер [12, 51—53]. В состав этого гидроузла входит гравитационная плотина высотой 205 м и дли­ ной по гребню 980 м и приплотинное здание гидроэлектростанции. Мощность-

Водосбросные сооружения гидроузла расположены на левом берегу и со­ стоят из двухпролетиого водослива и трех глубинных водосбросов. Водослив; полная ширина которого 37,2 м, перекрывается двумя сегментными затворам» размером 15,24X16,76 м. Максимальная пропускная способность водослива равна 4250 м3/сек.

Глубинные водосбросы гидроузла, оборудованные сегментными затворами размером 2,74x3,80 м, размещаются в бычке и раздельных стенках водослива

22

(рис. 16). Начальный участок глубинных водосбросов (до затворов) работает при напорном режиме потока; участок водосбросов за затвором безнапорный. Для подвода воздуха за сегментные затворы глубинных водосбросов предусмот-

Рис. 15. Общий вид гидроузла Дворшак.

рены аэрационные шахты диаметром 1,5 м. Напор па пороге затворов глубин­ ных водосбросов гидроузла Дворшак достигает 76 а их максимальная про­ пускная способность— 1150 м3/сек.

Рис. 16. Водосбросные сооружения гидроузла Дворшак

а —план водосбросных сооружении: rt —поперечный ракоед по водосбро­ сам; 1—гребень водослива; 2 —сегментный затвор: 3 —глубинные водо­ сбросы; -/—бычок и раздельные стенки; о —водобо.Ыын колодец—ковш.

Размеры в меірах.

В нижнем бьефе гидроузла за водосбросными сооружениями (рис. 16) имеется водобойный колодец-ковш. Это устройство работает до расходов, рав­ ных 1275 м3/сек, как обычный водобойный колодец, и избыточная кинетическая энергия сбросного потока гасится в донном гидравлическом прыжке. При

23

расходах, больших указанного, поток отбрасывается от сооружения. Длина колодца-ковша 85,56 .и. а его ширина на выходе 34,77 м. Таким образом, при максимальном сбросном расходе удельные расходы в конце крепления дости­ гают 155 м-jceK, а мощность сбросного потока превышает 10 млн. кет.

Во время строительства расходы р. Клир-Вотер пропускались через без­ напорный строительный туннель корытообразной формы [53]. Расчетный рас­ ход туннеля был принят 4%-й обеспеченности и равнялся 1930 м3/сек. Кон­ струкция этого облицованного туннеля обеспечивала молевой пропуск бревен длиной 5—6 м.

Одним из первых крупных гидроузлов, на котором была использована рассматриваемая схема сопряжения бьефов, является гидроузел Шаста [6, 54,

Рис. 17. Общий вид гидроузла Шаста.

55] «а р. Сакраменто (рис. 17). В состав этого гидроузла входит гравитацион­ ная плотина высотой 183,5 м и длиной по гребню 1067 м. Весьма интересным, если учесть схему сопряжения бьефов, является расположение гидроэлектро­ станции, мощность которой около 380 Мет.

Водослив плотины Шаста общей длиной около 114 м может пропускать расход воды, равный 5250 м3/сек. Водослив оборудован тремя вододействующими секторными затворами размерами 33,6X8,55 м. В теле плотины Шаста на трех различных уровнях предусмотрены 18 водоспусков диаметром около 2,6 м. Полная пропускная способность водоспусков достигает 1850 м3/сек. В нижнем бьефе плотины Шаста имеется наклонный водобой.

Кроме плотины Дворшак строится еще гидроузел Либби, на котором, по всей видимости, водобойный колодец может работать как ковш и отбрасывать при значительных расходах поток от сооружения. Разрез по водосбросным со­ оружениям этого гидроузла приведен на рис. 18. Плотина Либби [56—59] имеет высоту 136 м и длину по гребню 885 м. В составе гидроузла предусмотрена гидроэлектростанция, мощность которой в перспективе будет достигать 840 Мет. Водослив гидроузла имеет два пролета по 14,6 м шириной каждый,

24

перекрытых сегментными затворами. В состав водосбросных сооружений гидро­ узла входят н три глубинных водосброса, оборудованных сегментными затво­ рами размером 3,0X5,1 м. Эти затворы работают при напорах, достигающих ■80 м. По конструкции глубинные водосбросы гидроузла Либби похожи на ана­ логичные устройства гидроузла Дворшак. Расположенное в нижнем бьефе во­ досброса бетонное крепление имеет в конце небольшой отклонитель для отбро­ са струй.

Последним в этом параграфе рассмотрим Супхунский гидроузел на р. Аммокан [49, 54, 60—61] в КНДР. Полная строительная высота этой плотины 107 м\ длина ее водосливного фронта 390 м\ бычками фронт водослива этой

водосброс.

Инженерно-геологические условия створа плотимы довольно благоприят­ ные. Русло реки и берега сложены изверженными породами: гранитами, порфиритамн, гнейсами и гранитогнейсамн. Правда, местами эти породы имеют зна­ чительную трещиноватость.

В заключение следует указать, что рассматриваемая схема сопряжения бьефов в основном применяется в гидротехнической практике США. Она свя­ зана с известным риском разрушении русла при пропуске максимальных рас­ ходов, и в этом случае может возникнуть потребность в ремонтных работах. Практически и при этой схеме сопряжения бьефов удельные расходы в преде­ лах крепления (табл. 2) могут быть очень велики (до 155 ,и2/сек),, а мощность сбросных расходов достигать 10 млн. кет. Характерно, что эта комбинирован­ ная схема сопряжения бьефов даже на новых гидроузлах применяется в более широких створах, чем схема сопряжения бьефов посредством донного гидрав­ лического прыжка.

6. ВОДОСБРОСЫ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ

РЕЖИМАМИ СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ

Для высоконапорных гидроузлов схемы сопряжения бьефов с помощью какой-либо из форм поверхностного прыжка применяются сравнительно редко (табл. 3). Но к этой группе относится один из крупнейших гидроузлов мира— гидроузел Гранд Кули (США) [37, 62]. Этот гидроузел, возведенный в верхнем течении р. Колумбия, являлся первым высоконапорным гидроузлом, располо­ женным в сравнительно широком створе. Назначение гидроузла — выработка электроэнергии, ирригация и регулирование паводков.

25

Таблица 3

Гидроузлы с гравитационными плотинами, русловым расположением водосбросов и сопряжением бьефов посредством одной из форм поверхностного прыжка

Бетонная гравитационная плотина гидроузла (высота 167,5 м, длина пагребню 1280 лі) состоит из трех частей: средней водосливной общей длиной 505 левобережной глухой части длиной 360 м и правобережной глухой, части длиной 415 м. Здания гидроэлектростанции, примыкающие к низовой грани, расположены на обоих берегах за глухими частями плотины. В каж­

ков) оборудованы дисковыми задвижками, а нижний ярус (20 водоспусков, работающих под напором 76 м) — затворами типа «парадокс». Суммарный рас­ ход через водоспуски 7500 м31сек.

В нижней части плотины Гранд Кули имеется носок-ковш, с помощью кото­ рого при сопряжении потока, пропускаемого через водослив, с нижним бьефом создается затопленный поверхностный прыжок (рис. 19). В основании плотины Гранд Кули залегают прочные граниты с включением порфиритов. В левобереж­ ной части русла имеются трещинообразоваиия и зоны разрушения.

Пропуск расходов при строительстве гидроузла Гранд Кули производился в две очереди [63]. В первую очередь перемычкой ограждалось примерно 30% левобережной части русла р. Колумбия и расходы пропускались через его правобережную часть. Во вторую очередь строительные расходы пропускались методом гребенки, а в правобережной части русла возводилась часть

26

сооружении гидроузла. Перемычки и первой, н второй очереди были незатопляе­ мыми и рассчитывались па пропуск расходов соответственно 15600 л 17000 м3/сек.

В настоящее время осуществляется проект значительного увеличения мощности гидроэлектростанции Гранд Кули [64—66]. Для этого у правого бе­ рега перпендикулярно к плотине строится третье здание гидроэлектростанции, в котором будет установлено 12 дополнительных агрегатов мощностьіо 600 Мет каждый.

Гидроузел Гранд Кули построен около 30 лет назад. Сопряжение бьефов поверхностным гидравлическим прыжком было осуществлено здесь в условиях сравнительно широкого для гравитационной плотины створа (/Г/Я около 7,51.

Недавно в США закончено строительство высоконапорного гидроузла, на котором используется аналогичная схема сопряжения бьефов. Это гидроузел

Рис. 20. План гидроузла Хеллс Каньон

/ —плотина; 2 —водосброс; 3—здание гидроэлектростанции; -/—распре­ делительное устройство; J —строительный туннель; б-рыбоподъемник; 7—временный рыбозаградптель; S —дорога по гребню плотины.

Отметки в футах.

Хеллс Каньон [67], возведенный в относительно узком створе (/Г/Я = 2,8). Его гравитационная плотина при высоте 100,6 м имеет длину по гребню 277,5 м. Гидроэлектростанция, мощность которой в трех агрегатах 425 Мет, располо­ жена непосредственно за плотиной. При размещении гидроэлектростанции и водосбросных сооружений (рис. 20), рассчитанных на пропуск паводкового расхода 8500 м3/сек, в одном створе для водослива по длине фронта плоти­ ны остался участок длиной 48,8 м. Водослив, состоящий из трех пролетов, оборудован тремя сегментными затворами размером 13,1X15,25 м. Через водо­ слив может сбрасываться расход до 6000 м3/сек. Остальной расход пропускает­ ся через два глубинных водосброса, сегментные затворы которых размером 7,0X7,6 м расположены на 44 м ниже уровня верхнего бьефа.

Водосливная грань водосброса (рис. 21) со стороны нижнего бьефа снаб­ жена заглубленным под уровень нижнего бьефа ковшом, имеющим горизон­ тальную полку и наклонный носок. В нормальных условиях работы горизон­ тальная полка находится под водой на глубине 20.5 м, а концевой участок носка — на глубине 12,2 м. Водосбросной участок плотины отделен от участ­

27

ка отсасывающих труб гидроэлектростанции стенкой высотой 42 м; высота стенки, отделяющей участок водослива от правого берега, 30 м. Для увеличе­ ния потерь энергии на водосливе были устроены так называемые струерасщепи­

тели. Положение оси каждого из этих расщепителей совпадало с осью бычка на гребне водослива.

Во время строительства гидроузла расходы реки пропускались через тун­ нель ■корытообразной формы, высота которого равнялась 12,2 м, а диаметр свода 12,0 м. Туннель был рассчитан на пропуск расхода 10%-й обеспечен­ ности— 1700 м1*3/сек. Длина этого туннеля 500 м.

Причинами того, что сопряжение бьефов посредством одной из форм по­ верхностного прыжка используется сравнительно редко для высокойапорпых гидроузлов ', являются следующие особенности этого режима сопряжения.

1.В ряде случаев поверхностным режимам сопряжения бьефов отвечают лишь небольшие диапазоны изменения глубин нижнего бьефа.

2.При малой высоте уступа нельзя получить поверхностных режимов в нижнем бьефе, а при высоте уступа, меньшей 0,2 от высоты плотины, эти

режимы неустойчивы [68].

3. При поверхностных режимах наблюдаются существенные колебания уровней воды в нижнем бьефе сооружения.

Трудность использования поверхностных режимов сопряжения бьефов усугубляется еще и тем, что в большинстве случаев в нижнем бьефе высокона­ порных гидроузлов наблюдаются значительные изменения уровней воды в за­ висимости от расхода, пропускаемого через сооружения. Для создания поверх­ ностных режимов необходимы значительные глубины нижнего бьефа. Тем не менее эти режимы сопряжения бьефов применялись на таких крупных гидро­ узлах, как Гранд Кули и Хеллс Каньон. Следовательно, в определенных усло­ виях (например, при больших глубинах воды в нижнем бьефе «ли при низко,« расположении прочной скалы) и такую схему сопряжения бьефов целесообраз­ но рассматривать при сопоставлении вариантов компоновки гидроузла.

1 В составе высоконапорных гидроузлов с арочными или контрфорсными плотинами этот тип сопряжения бьефов вообще не используется.

28

Сопряжение бьефов с помощью одной из форм поверхностного прыжка, как уже указывалось, в условиях высоконапорных гидроузлов не всегда воз­ можно и имеет .ряд существенных недостатков.

При сопряжении бьефов с помощью донного гидравлического прыжка в нижнем бьефе водосброса необходимо бетонное крепление, а в ряде случаев и гасители энергии, которые выполняются на высокопапорных гидроузлах, как правило, в виде водобойной стенки, расположенной на расстоянии 0,75— 1,00 длины прыжка от сжатого сечения. Высота водобойной стенки получается иногда весьма значительной, и поэтому часто появляется необходимость з устройстве еще одного, более низкого ряда гасителей и крепления за водобой­ ной стенкой.

Гашение энергии в донном гидравлическом прыжке создает благоприят­ ные условия эксплуатации приплотинной гидроэлектростанции и участка ниж­ него бьефа, примыкающего к плотине и водосбросам. При такой схеме сопря­ жения бьефов размывы коренных скальных пород, как правило, не столь зна­ чительны, как при отбросе струи от сооружения с помощью носков-трампли­ нов. Если в этом случае и имеются разрушения коренных скальных пород в русле и подмывы берегов, то они не угрожают катастрофическими последствия­ ми для всего гидроузла.

Наиболее существенным недостатком схемы сопряжения бьефов с помощью дойного гидравлического прыжка является высокая стоимость крепления в ниж­ нем бьефе за водосбросом. Устройства крепления нижнего бьефа можно избе­ жать, если попользовать схему сопряжения бьефов посредством отброса струн носками-трамплинами.

7.СОВМЕЩЕНИЕ С ПЛОТИНОЙ ВОДОСБРОСА

ССОПРЯЖЕНИЕМ БЬЕФОВ ПОСРЕДСТВОМ ОТБРОСА СТРУЙ ОТ СООРУЖЕНИЯ

НОСКАМИ-ТРАМПЛИНАМИ

Схема сопряжения бьефов с отбросом струй от сооружения на безопас­ ное расстояние получила довольно широкое распространение. При этой схеме в нижнем бьефе сооружения образуется воронка местного размыва, а за ней

вряде случаев гряда отложений продуктов разрушения коренных скальных по­ род (так называемый «бар»). Гашение избыточной кинетической энергии павод­ ковых расходов воды происходит в основном в воронке местного размыва. При такой схеме сопряжения бьефов режим потока в нижнем бьефе, особенно

вначальный период эксплуатации сооружения (до образования воронки раз­ мыва достаточных размеров), менее организованный, чем при схемах сопряже­ ния бьефов, рассмотренных ранее, так как возможны значительные скорости транзитного потока, а также обратные течения со значительными скоростями даже в непосредственной близости к плотине. Поэтому при схеме сопряжения бьефов отбросом струй от сооружения и совмещении водосбросов с плотиной

гидроэлектростанцию часто стремятся размещать вне створа плотины. Эта тен­ денция проявляется тем сильнее, чем относительно меньше ширина створа.

Сучетом этого обстоятельства в работе сначала рассматриваются гидроузлы,

укоторых гидроэлектростанция и водосбросы совмещены с плотиной, а затем гидроузлы, у которых совмещены с плотиной только водосбросные сооружения.

Ряд данных, касающихся высоконапорных гидроузлов с гравитационными плотинами и сопряжением бьефов посредством отброса струй носками-трам­ плинами от сооружения, приведен в табл. 4.

При использовании рассматриваемой схемы сопряжения бьефов для гидро­ узлов с гравитационными плотинами, расположенными в широких створах, как уже указывалось, и гидроэлектростанция, и водосбросные сооружения сов­ мещаются с плотиной. К таким гидроузлам относятся гидроузлы Саньмынься и Риханд.

Гидроузел Саньмынься (КНР) возведен на р. Хуанхэ для регулирования

стока, выработки электроэнергии и орошения. В состав гидроузла [69] входят

29