4.2. Водопроводящие сооружения ГЭC

Водоприемники представляют собой головную часть проточного тракта ГЭС и предназначены для приема воды в него из водохранилища, водотока, напорного бассейна, а также должны обеспечить защиту проточного тракта турбины от попадания плавающих тел, крупного сора, льда, шуги, донных наносов, прекращение поступления воды при ремонтных работах и авариях. Очертания входных отверстий и проточной части водоприемников должны обеспечить благоприятный гидравлический режим на входе, допустимые скорости на решетках и минимальные потери напора. Допустимые скорости на решетках, зависящие от их заглубления и засоренности водотока, обычно принимаются равными 0,8–1,2 м/с. Водоприемники оборудуются сороудерживающими решетками, ремонтными, аварийно-ремонтными затворами и подъемными механизмами (козловым краном, гидроподъемниками и др.). Водоприемники разделяются на напорные и безнапорные (рис. 4.23).

Напорные водоприемники применяются при значительных изменениях уровней в верхнем бьефе и при всех схемах ГЭС. Их приемные отверстия заглубляются под УМО на необходимую глубину, исключающую образование воронок. Их входная проточная часть обычно выполняется в форме раструба для обеспечения плавного сопряжения с напорным трубопроводом.

Безнапорные водоприемники применяются при незначительных изменениях уровней в верхнем бьефе в основном в деривационных ГЭС с низконапорными головными узлами.

Напорные водоприемники приплотинных и деривационных ГЭС можно разделить на следующие три типа:

Плотинные водоприемники размещаются в бетонных плотинах (гравитационных, арочных, контрфорсных) в теле плотин или примыкают к их напорной грани. Для обеспечения плавного входа, уменьшения высоты сороудерживающей решетки на входе между бычками выполняется забральная балка.

В большинстве случаев на водоприемниках устраиваются очищаемые специальными механизмами (например грейфером, подвешенном на кране) съемные решетки. При большой глубине сработки водохранилища в ряде случаев выполняются стационарные неочищаемые решетки.

Береговые водоприемники, применяемые в основном в гидроузлах с плотинами из местных материалов, арочными, выполняются в виде железобетонной конструкции, примыкающей к береговому склону.

В таких водоприемниках, как и в плотинных, в единой конструкции размещаются решетки, ремонтные и аварийно-ремонтные затворы (рис. 4.24). При неблагоприятных топографических и геологических условиях склона береговые водоприемники выполняются с шахтами, где размещаются затворы, а на береговом склоне устраивается входной конфузорный участок с наклонной решеткой. В качестве аварийно-ремонтных могут применяться как плоские, так и сегментные затворы (рис. 4.25). В суровых климатических условиях над водоприемником могут возводиться закрытые помещения, где размещается оборудование.

а

б

Рис. 4.23. Типы водоприемников: а – напорный; б – безнапорный; 1 – сороудерживающая решетка; 2 – забральная стенка; 3 и 4 – пазы ремонтного и аварийно–ремонтного затворов; 5 – промежуточная стенка; 6 – гидроподъемник; 7 – аэрационная труба; 8 – обводная труда (байпас); 9 – козловой кран; 10 – промывная галерея

Рис. 4.24. Береговой водоприемник: 1 – забральная стенка; 2 – решетка; 3 – совмещенный паз решетки и ремонтного затвора; 4 – паз грейфера; 5 – аварийно–ремонтный затвор; 6 – гидроподъемник; 7 – аэрационная труба; 8 – обводная труба

Рис. 4.25. Береговой водоприемник с шахтой: 1 – решетка; 2 – канатный механизм для подъема сегментного затвора; 3 – ремонтный затвор; 4 – решеткоочистная машина; 5 – разделительная стенка; 6 – деривационный туннель

Башенные водоприемники применяются в тех же условиях, что и береговые, в виде отдельно стоящей железобетонной башенной конструкции с водоприемными отверстиями, расположенными по всему или части периметра. Башенные водоприемники могут иметь цилиндрическую или прямоугольную форму (рис. 4.26).

Безнапорные водоприемники можно разделить на следующие два типа:

Поверхностные водоприемники разных конструкций (с глухим порогом и др.) не обеспечивают защиту деривационного тракта от попадания донных наносов. При большом содержании донных наносов в потоке широко применяются водоприемники с донными промывными галереями, расположенными в пороге (рис. 4.27).

При заборе воды таким водоприемником нижние слои потока, насыщенные донными наносами, попадая в промывные галереи, сбрасываются в нижний бьеф головного гидроузла, а верхние слои поступают в деривационный тракт. Оседающие перед порогом водоприемника наносы периодически промываются через смывочные отверстия плотины и донные галереи.

Рис. 4.26. Башенный водоприемник: 1 – сороудерживающая решетка; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – паз аварийно-ремонтного затвора; 4 – напорный водовод; 5 – гидроподъемник

Донные решетчатые водоприемники применяются на горных реках с резкими колебаниями уровней и большим количеством наносов. В пороге плотины выполняется водозаборная галерея, перекрытая сверху решеткой. Из галереи вода попадает в промывную камеру, затем отстойник, после которого очищенная от наносов вода поступает в деривационный канал (рис. 4.28). Донные наносы из промывной камеры промываются при открытии верхового и низового затворов.

Отстойники включаются в состав головных гидроузлов на горных реках, несущих большое количество взвешенных наносов (более 0,2–0,5 кг/м 3), которые, оседая в водоводах, снижают их пропускную способность, истирают металлические облицовки водоводов, рабочие колеса и другие элементы гидротурбин.

В отстойниках, представляющих собой безнапорное сооружение со значительно увеличенными размерами, резко замедляется скорость воды, благодаря чему взвешенные наносы осаждаются. Отстойники (рис. 4.29) различаются:

• по принципу работы камеры – на периодического и непрерывного действия;
• по количеству камер – на однокамерные и многокамерные;
• по способу удаления осевших наносов – с гидравлическим промывом, механической и гидромеханической очисткой (с помощью землесосов), комбинированной системой очистки.

  Рис. 4.27. Поверхностный водоприемник с донными промывными галереями: 1 – водоприемник; 2 – порог водоприемника; 3 – затворы промывных отверстий плотины; 4 – донные промывные галереи; 5 – верховой устой; 6 – сороудерживающие решетки; 7 и 8 – затворы водоприемника; 9 – затворы промывных галерей; 10 – понур; 11 – водосбросная плотина; 12 – деривационный канал

 

Рис. 4.28. Безнапорный донный решетчатый водоприемник: 1 – водосбросная плотина; 2 – донная водозаборная галерея, перекрытая решеткой; 3 – промывная камера; 4 и 5 – затворы промывной камеры; 6 – шугосброс; 7 – водоприемник для забора воды из промывной камеры; 8 – отстойник; 9 – деривационный канал

а

б

Рис. 4.29. Типы отстойников: а – периодического действия с промывом насосов, многокамерный; б – непрерывного действия с промывом насосов, однокамерный; 1 – входной порог; 2 – выходной порог; 3 – камера; 4 – мертвый объем; 5 – промывная галерея; 6 – сборно–промывная галерея; 7 – решетки; 8 и 9 – затворы на входном и выходном порогах

В отстойниках с камерами периодического действия, когда объем выпавших наносов достигнет расчетного, камеры отключаются от деривации и осевшие наносы удаляются. Такие отстойники обычно выполняются многокамерными с отключением поочередно камер по мере их заполнения наносами. В отстойниках с камерами непрерывного действия удаление наносов проходит без отключения камер.

Деривационные водоводы выполняются безнапорными и напорными. Безнапорные водоводы применяются при незначительных изменениях уровня верхнего бьефа и благоприятных топографических и геологических условиях по трассе (относительно ровной, слабопересеченной местности), позволяющих их выполнять на отметках, близких к уровням верхнего бьефа. Безнапорные водоводы обеспечивают подвод воды к напорному бассейну, из которого вода подается в турбинные напорные водоводы.

Напорные водоводы применяются при значительных колебаниях уровня верхнего бьефа и располагаются ниже минимального уровня водохранилища.

При безнапорной деривации широко используются деривационные каналы, которые могут иметь значительную протяженность (например на Перепадной ГЭС на р.Вахш 10,4 км) и скорости течения воды от 0,7 м/с при расходе 350 м 3 /с (Нижнетуломская ГЭС) до 2,2 м/с при расходе 760 м 3 /с (Нарвская ГЭС). Поперечное сечение канала в большинстве случаев принимается трапецеидальным. В каналах устраивается крепление в виде облицовки (бетонной, асфальтобетонной и др.) дна и откосов, что позволяет сократить фильтрационные потери, а также снизить шероховатость и соответственно уменьшить потери напора в нем.

Деривационные туннели могут иметь значительную длину (безнапорный туннель Эзминской ГЭС – 7,8 км, напорный туннель Храмской ГЭС-2 в Грузии – 12,8 км). Скорость воды в напорных туннелях обычно не превышает 7 м/с. Форма поперечного сечения туннелей выбирается в зависимости от гидравлического режима, инженерно-геологических условий трассы и способа проходки. Как правило, напорные туннели, а во многих случаях и безнапорные имеют сечение кругового очертания, что обеспечивает наилучшие гидравлические условия, благоприятные условия статической работы обделки, существенные преимущества при проходке, особенно при использовании проходческих комплексов.

а

б

в

Рис. 4.30. Обделки деривационных туннелей: а – монолитная железобетонная; б – двухслойная монолитная железобетонная; в – сборная железобетонная; 1– скважины для укрепительной цементации; 2 – трубы для заполнительной цементации; 3 и 4 –круговая и распределительная арматура; 5 – монолитный бетон; 6 – торкрет; 7 – засыпка гравием; 8 – дренаж; 9 – цементный раствор; 10 – сборные железобетонные блоки

В большинстве случаев деривационные туннели выполняются с обделкой, которая должна воспринять внешнее давление грунтовых вод и горное давление, внутреннее давление воды, обеспечить водонепроницаемость, снизить шероховатость и соответственно потери напора. В зависимости от инженерногеологических условий, гидравлического режима, способа проходки применяются различные виды обделок (рис. 4.30).

Несущие обделки обычно выполняются из бетона и железобетона с устройством заполнительной цементации (с заполнением цементным раствором зазоров между обделкой и поверхностью выработки) и укрепительной цементации скальной породы вокруг туннеля для придания ей монолитности и водонепроницаемости. Толщина монолитной бетонной и железобетонной обделки должна быть не меньше 20 см. В высоконапорных туннелях применяется сталежелезобетонная обделка с внутренней металлической облицовкой. Несущие обделки в определенных условиях могут выполняться в виде облицовки из набрызг-бетона (торкрета) с металлической сеткой и анкерами с толщиной обделки не менее 10 см.

В прочных слаботрещиноватых и маловодопроницаемых скальных породах и особенно при проходке туннелей с использованием проходческих комплексов стенки туннелей могут оставаться необлицованными.

Напорные водоводы могут выполняться открытыми в виде металлических трубопроводов (рис. 4.31), сталежелезобетонных с внутренней металлической облицовкой и железобетонных трубопроводов. Трассы и продольный профиль трубопроводов при любом режиме работы агрегатов ГЭС должны обеспечить внутреннее давление не ниже атмосферного. Сталежелезобетонные и железобетонные трубопроводы могут укладываться в траншеях и засыпаться грунтом.

Открытые металлические трубопроводы устанавливаются на опоры: анкерные, которые обеспечивают неподвижное закрепление трубопровода на переломах трассы и на прямых участках на расстоянии 150–400 м и воспринимают от него осевые и радиальные нагрузки, и промежуточные для его опирания в пролетах между анкерными опорами. Трубопроводы выполняются неразрезными, а при значительных изменениях температуры воздуха или воды, при которых в оболочке трубопровода возникают значительные продольные деформации, – разрезными. В месте разреза устанавливается температурный компенсатор, позволяющий оболочке трубопровода свободно перемещаться при температурных деформациях (см. рис. 4.31). В случае аварии с разрывом металлического трубопровода должны быть предусмотрены устройства для отвода воды и недопущения затопления здания ГЭС.

 

Рис. 4.31. Схема открытого металлического трубопровода: 1 – трубопровод; 2 – анкерная опора; 3 – промежуточная опора; 4 – компенсатор

 

а	Рис. 4.32. Трубопроводы, располагаемые в основании плотин из грунтовых материалов: а – железобетонные трубопроводы; б – металлические трубопроводы, проложенные в железобетонной галерее; 1 – монолитный железобетон; 2 – ребра; 3 – галерея; 4 – металлический трубопровод
б

Открытые сталежелезобетонные и железобетонные трубопроводы могут выполняться аналогично металлическим трубопроводам или укладываться непосредственно на скальное основание без устройства опор.

Трубопроводы, проходящие в основании плотин из грунтовых материалов (рис. 4.32), могут выполняться железобетонными в виде отдельных труб, заделанных в скальное основание, или в виде многоочковых секций, отделенных одна от другой температурно-осадочными швами с уплотнениями. Металлические трубопроводы при любых основаниях, а железобетонные трубопроводы при мягких основаниях в большинстве случаев свободно устанавливаются в железобетонных галереях, устроенных в основании плотин.

Станционные водоводы приплотинных ГЭС с бетонными плотинами (гравитационными, контрфорсными, арочными) обычно располагаются в теле или на низовых гранях плотин (см. рис. 4.4), реже на верховой грани, а с плотинами из грунтовых материалов – в основном в виде туннелей.

На деривационных ГЭС станционные водоводы, так же как и деревационные напорные водоводы, выполняются в виде напорных трубопроводов или туннелей.

Металлические напорные трубопроводы применяются при напорах до 2000 м, а сталежелезобетонные – при напорах до 800 м.

Станционные трубопроводы можно разделить на три группы:

• заделанные трубопроводы включают стальные облицовки в бетонном массиве плотин, сталежелезобетонные трубопроводы на их низовых гранях (см. рис. 4.4–4.7), стальные облицовки с железобетонной обделкой шахт и туннелей (см. рис. 4.9);
• открытые ( не заделанные) трубопроводы, выполняемые в большинстве случаях на опорах;
• засыпанные трубопроводы, выполняемые в траншеях и засыпаемые грунтом.

Уравнительные резервуары в напорных системах ГЭС предназначены для защиты подводящих и отводящих напорных водоводов от воздействия гидравлического удара при неустановившихся режимах работы ГЭС и особенно при аварийном сбросе нагрузки ГЭС, приводящем к резкому увеличению (снижению) внутреннего давления в напорных водоводах, а также для уменьшения максимального гидродинамического давления в напорных водоводах и улучшения условий регулирования гидроагрегатов. Гидравлический удар возникает при неустановившихся режимах работы ГЭС, когда один или несколько показателей, характеризующих ее работу, таких как расход, мощность, частота вращения гидроагрегата и др., меняются во времени.

Неустановившиеся режимы связаны с регулированием турбин, переходными процессами при пуске и остановке агрегата, регулировании мощности, аварийном сбросе нагрузок.

Уравнительные резервуары подразделяются на верховые, выполняемые на подводящих водоводах, и низовые – на отводящих водоводах. Обычно верховые уравнительные резервуары выполняют в месте перелома трассы напорных водоводов, что позволяет уменьшить их высоту (рис. 4.33).

Величина гидравлического удара (повышение или снижение давления) зависит от отношения длины напорного водовода к его диаметру, скорости изменения расхода воды (скорости закрытия направляющего аппарата гидротурбины), напора ГЭС.

Приближенно критерием для определения необходимости выполнения верхового уравнительного резервуара может служить постоянная инерции напорных водоводов T w, которая выражается в секундах. Так, при значении T w <3–6 с учетом конкретных условий работы ГЭС можно отказаться от устройства верхового уравнительного резервуара.

Низовые уравнительные резервуары выполняют с учетом конкретных условий работы при длине отводящих водоводов более 70–100 м и быстром изменении расхода для недопущения разрыва сплошности потока.

Принципиальная схема работы уравнительных резервуаров приведена на рис. 4.34. При установившемся режиме уровень воды в уравнительном резервуаре характеризуется Z на ч и соответствует расходу Q нач. При нарушении установившегося режима в напорных водоводах вследствие изменения расхода гидротурбин происходит изменение уровня в уравнительном резервуаре. При уменьшении расхода Q кон < Q_нач уровень воды в верховом уравнительном резервуаре, поднимаясь, достигает максимального положения (Z макс), соответственно достигает максимального значения давление в напорном водоводе. При наличии гидравлических сопротивлений в напорном водоводе колебания затухают и со временем установится уровень (Z кон), соответствующий новому установившемуся режиму при расходе Q кон. При этом одновременно с колебаниями уровней в верховом уравнительном резервуаре происходит аналогичное колебание уровней в низовом уравнительном резервуаре, но с обратным знаком, достигая минимального положения (Z мин). При увеличении расхода гидротурбин Q кон > Q нач имеет место обратный процесс со снижением уровня в верховом уравнительном резервуаре и подъемом в низовом уравнительном резервуаре.

Рис. 4.33. Схема размещения уравнительных резервуаров: 1 – водоприемник; 2 – верховой уравнительный резервуар; 3 – подводящий деривационный туннель; 4 – отводящий деривационный туннель; 5 – турбинный водовод; 6 – здание ГЭС; 7 – низовой уравнительный резервуар; 8 – аэрационный туннель

Основные типы уравнительных резервуаров приведены на рис. 4.35. При цилиндрическом уравнительном резервуаре, представляющем собой вертикальную или наклонную шахту, в напорном водоводе при установившемся режиме на участке сопряжения с резервуаром теряется скоростной напор и увеличиваются потери напора, что является его недостатком. При цилиндрическом резервуаре с дополнительным сопротивлением шахта соединяется с напорным водоводом патрубком с меньшим сечением (иногда с установкой диафрагмы), что позволяет избежать дополнительных потерь напора на участке сопряжения при установившемся движении, однако приводит к снижению эффективности работы уравнительного резервуара в связи с «проскоком» гидравлического удара и соответственно повышением давления в напорном водоводе.

 

Рис. 4.34. Принципиальная схема работы уравнительного резервуара: 1 – колебания уровней при уменьшении расхода; 2 – колебания уровней при увеличении расхода

 

а

б

в

г

д

Рис. 4.35. Основные типы уравнительных резервуаров: а – цилиндрический; б – цилиндрический с дополнительным сопротивлением; в – камерный; г – пневматический; д – полупневматический

В камерном резервуаре, представляющем собой шахту, соединенную с верхней и нижней горизонтальными камерами (реже с одной), при уменьшении расхода происходит заполнение водой верхней камеры верхового уравнительного резервуара, а при уменьшении расхода – опорожнение нижней камеры, в низовом уравнительном резервуаре – наоборот.

В пневматическом резервуаре с замкнутой полостью над поверхностью воды при переходных процессах воздух сжимается или расширяется, чем достигается уменьшение диапазона колебаний уровня, а в полупневматическом, сообщающемся с атмосферой, изменяется давление воздуха и соответственно увеличивается диапазон колебаний уровня.

Водоприемник Нурекской ГЭС