Состав и компоновка основных сооружений

Состав и компоновка сооружений ГЭС определяются схемой концентрации напора. Как уже говорилось, существует основные схемы создания напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся, в свою очередь, на два типа: русловые и приплотинные. Деривационные ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной и с напорной деривацией.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС. При напоре до 25 – 30 м здание станции размещается в одном створе с плотиной и воспринимает напор. Такие гидроэлектростанции называются русловыми. При комплексном использовании водотока в состав гидроузла кроме плотины и здания ГЭС включаются сооружения, предназначенные для удовлетворения специфических нужд каждого участка комплекса (шлюз для водного транспорта, водозаборные сооружения для орошения и водоснабжения, рыбоходы и т.п.).

При напоре, превышающем 25–30 м, здание ГЭС размещается за плотиной в нижнем бьефе и уже не воспринимает напор. Такие ГЭС носят название приплотинных. При комплексном назначении гидроузла в него так же, как и в предыдущем случае, включаются сооружения неэнергетических участников комплекса. Поскольку в этой схеме здание ГЭС не воспринимает напор, для подачи воды к турбинам ГЭС необходимы водоприемники и турбинные трубопроводы. Компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени зависит от типа плотины и создаваемого ею напора.

Если в рассматриваемой схеме плотина ГЭС сооружена не из бетона, а из грунта или каменной наброски, то водоприемник, турбинные водоводы (трубопроводы) и водосбросы устанавливаются не совмещенными с плотиной.

Сооружения деривационных ГЭС располагаются в двух узлах – головном и станционном, соединенных между собой деривацией.

Головной узел ГЭС с безнапорной деривацией (рис. 6.5) состоит из плотины с водосбором и поверхностного водоприемника, а в случае надобности в нем дополнительно размещаются отстойник, грязеспуск, шугосброс и водоприемникдля неэнергетических потребителей воды.

Безнапорная деривация устраивается в виде открытого канала. Там, где деривационный канал пересекается с поперечно направленными оврагами, долинами, ручьями и реками, создаются сооружения для пропуска воды под или над каналами – дюкеры, трубы под каналами, лотки над каналом, а иногда и крупные мосты – акведуки для пересечения каналом широкой поперечной долины. У станционного узла канал заканчивается и переходит в напорный бассейн, откуда вода по турбинным трубопроводам поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС, и далее в отводящий канал и реку.

Рис. 6.5. Схема сооружений ГЭС с безнапорной деривацией

Когда местность сильно пересеченная и для безнапорной деривации нет благоприятных условий, устраивается деривация в виде туннеля или трубопровода (рис. 6.6). В этих случаях поперечное сечение водовода полностью заполнено водой.

Головной узел также включает в качестве основных сооружений плотину с водосбросом и водоприемник. Однако плотина здесь более высокая, а водоприемник – глубинный, что позволяет непрерывно забирать воду при больших колебаниях уровня воды в водохранилище.

Станционный узел (в отличие от ГЭС с безнапорной деривацией) часто имеет уравнительный резервуар, основное назначение которого – борьба с возможными гидравлическими ударами при нестационарных режимах в турбинных водоводах, по которым вода поступает в турбины.

Здесь перечислены лишь основные сооружения и не описаны условия их работы и конструкции. Отметим, что нет ГЭС, которые по составу и компоновке сооружений были бы полностью идентичны. Каждая ГЭС в своем роде неповторима.

Рис. 6.6. Схема сооружений ГЭС с напорной деривацией

Плотины

Плотины предназначены для создания водохранилища, поэтому они являются основным сооружением гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Плотины делятся на две группы по используемым материалам для их возведения: бетонные (железобетонные) и из грунтовых материалов (земляные и каменно-набросные).

Бетонные (железобетонные) плотины по конструктивным признакам делятся на гравитационные, арочные и контрфорсные. Отличительным признаком гравитационных плотин является их массивность (рис. 6.7). Значительная масса и большие силы сцепления (трения) по основанию позволяют воздвигать такого рода плотины практически на любых грунтах. Гравитационная плотина при ее высоте до 30 – 40 м может быть сооружена на таком слабом основании, как песок и глина, а на скальном основании высота ее может достигать 300 м. Такие плотины могут быть глухими (рис. 6.7, а), т.е. не допускающими перелива воды через гребень, и водосливными (рис. 6.7, б). Последние выполняются с поверхностными водосливами или заглубленными (донными) отверстиями для пропуска воды. Плотины русловых ГЭС состоят обычно из глухой и водосливной частей. Высокие плотины в узких ущельях часто строятся глухими. В этом случае сброс излишней воды осуществляется в обход плотины через поверхностный или туннельный водосброс.

а) б)

Рис. 6.7.Гравитационная плотина

Арочные плотины представляют собой свод с вертикальной осью, очерченный в плане в виде дуги, упирающейся своими концами в скальные берега, которые и воспринимают все давление воды на плотину со стороны верхнего бьефа (рис. 6.8). Высота таких плотин может достигать более 300 м, однако бетона в ней будет меньше, чем в равноценной по высоте гравитационной. Такие плотины бывают одноарочными и многоарочными и в обоих случаях могут иметь водосбросные устройства.

Рис. 6.8.Арочная плотина

а – разрез; б – план

Рис. 6.9.Контрфосная плотина

Контрфорсные плотины (рис. 6.9) в простейшем случае выполняются в виде вертикальных железобетонных ребер (контрфорсов), на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты 1, воспринимающие давление воды. Контрфорсы 2 скрепляются между собой балками жесткости 3, образующими по фронту отдельные пролеты. При соответствующей конструкции гребня с низовой стороны контрфорсные плотины могут быть водосливными. Предельная высота современных контрфорсных плотин достигает 110 м (Зейская ГЭС).

Разновидностью плотин, сооружаемых из грунтовых материалов, являются земляные. Они строятся из суглинков, супеси, песка и т. п. Различают насыпные и намывные земляные плотины. Первые возводятся путем отсыпки в виде горизонтальных слоев небольшой толщины с последующим уплотнением (укаткой или трамбованием с увлажнением) грунта. Намывные земляные плотины строятся методом гидромеханизации, сводящимся к подаче размытого в карьере разжиженного грунта к месту укладки насосами по трубопроводам или самотеком по трубам или лоткам.

Рис. 6.10. Плотины из грунтовых материалов

Верховой откос (рис. 6.10, а) плотины для защиты от воздействия волн и льда укрепляется в пределах изменения уровня воды бетонными плитами или камнем. Низовой откос (со стороны нижнего бьефа) укрепляется дерном и снабжается в некоторых случаях горизонтальными площадками, называемыми бермой 2. Они служат для защиты откоса от смыва грунта водой.

Если земляная плотина сооружается из сильноводопроницаемых грунтов (например крупного песка), то для уменьшения фильтрации воды устраиваются преграды в виде экрана с понуром 3 (см. рис. 6.10, б) или ядра 5 (рис. 6.10, в). Эти преграды устраиваются из слабоводопроницаемого грунта, например глины.

Для пропуска через тело плотины фильтрующей воды и задержания при этом выноса частиц грунта на всех земляных плотинах со стороны нижнего бьефа устраиваются дренажные призмы 6.

Заложение откосов принимается в зависимости от свойств грунта и высоты плотины в пределах, указанных на рис. 6.10, а.

Нередки случаи сооружения земляных плотин из разных по своим водопроницаемым свойствам грунтов. В этом случае, чем лучше грунт, тем ближе со стороны верхнего бьефа он располагается (рис. 6.10, г).

Земляные плотины имеют достаточно широкое распространение. Их строят, как правило, глухими. Высота их может достигать 300 м.

Каменные плотины выполняются из каменных материалов. В практике современного гидротехнического строительства различают каменно-набросные плотины и каменные.

Каменно-набросные плотины сооружают путем наброски в русло реки камня различных размеров. По мере роста высоты плотины каменная наброска уплотняется струей воды под давлением в несколько атмосфер. Водонепроницаемость таких плотин достигается путем устройства экрана 3 из железобетона со стороны верхнего откоса (рис. 6.10, д), укладываемого на специальную подэкранную каменную кладку 4. Каменно-набросные плотины сооружаются, как правило, глухими, высота их может быть более 300 м.

Каменные плотины выполняют в виде сухой кладки. Разновидностью указанных двух типов плотин являются полунабросные, выполняемые в напорной части из сухой кладки, а в низовой части – из каменной наброски. Имеются смешанные плотины, воздвигаемые из местных строительных материалов, – каменно-земляные. В них большая часть тела выполнена из каменных материалов, а противофильтрационное устройство из слабопроницаемого грунта. Они хорошо себя зарекомендовали в районах, подверженных землетрясениям.

На рис. 6.11 представлены контуры некоторых наиболее крупных отечественных и зарубежных плотин в сравнении с другими известными крупными сооружениями.

Рис. 6.11. Контуры некоторых наиболее крупных отечественных и зарубежных плотин в сравнении с другими крупными сооружениями