СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАТВОРОВ
По данным Французского Национального комитета по большим плотинам, наиболее рациональны комбинированные водосбросы, оборудованные поверхностными и глубинными затворами, так как они позволяют не только повысить надежность, но и в полной мере использовать преимущества как поверхностных, так и глубинных водосбросов. Примером такой компоновки могут служить гидроузлы Монтейнар (Франция), Кабора Басса (Мозамбик), Эль Кахон (Гондурас), Мухдиг (Саудовская Аравия) и др.
В зависимости от конкретных условий глубинные водосбросы можно располагать одним, двумя и более ярусами. Повысить их надежность позволяет возможность регулирования потока аварийно-ремонтными затворами при отказе основного регулирующего затвора (например, гидроузлы Каунертал - Австралия, Сент Круа - Франция и др.). Причем на некоторых гидроузлах (например, Морроу Пойнт - США), кроме двух регулирующих затворов, расположенных с низовои стороны, на входе в водовод устанавливают еще дополнительный ремонтный затвор (рис. 6.13).
Основные тенденции американского затворостроения - стремление к простоте, максимальной типизации оборудования. Конструкции затворов гидроузлов европейского региона отличаются большей сложностью и многочисленностью типов [25, 48], что объясняется повышенными требованиями к регулированию к»к уровней в бьефах, так и сбросных расходов, к охране окружающей среды. Японские гидростроители уделяют больше внимания повышению таких эксплуатационных качеств, как доступность осмотра и ремонта всех ответственных узлов затвора, закладных частей и механизмов.
При использовании крупных высоконапорных затворов в первую очередь надо устранять вибрацию и кавитацию. Основные источники вибрации - пульсация гидродинамического давления, обусловленная турбулентностью потока, неправильно выбранными формами водоционная шахта пазов или нижней кромки затвора, переходными режимами. Кроме того, источниками вибрации могут быть протечки воды через уплотнения затворов [4, 33], недостаточная жесткость конструкции затвора или отдельных его частей, неправильно выбранное место подвода воздуха или количество подводимого воздуха, недостаточный коэффициент посадки затвора на порог. При больших скоростях потока часто возникает кавитация, которая может привести к кавитационной эрозии и вибрации затвора, а иногда и всего сооружения.
Аварии с затвором могут быть вследствие нарушения персоналом правил эксплуатации или непредвиденных отказов в работе механизмов, гидравлической или электрической системы. При этом наиболее опасны и вероятны отказы, возникающие при подъеме затворов (например, в период нарастания паводковых расходов) [25].
Осложнения в эксплуатации затворов в ряде случаев были вызваны наносами, влекомыми потоком воды и отложившимися в камерах, нишах, в водохранилищах. Они создали трудности при открывании нижнего плоского затвора водопроводящего тракта ГЭС гидроузла Гриб (Алжир). Взвешенные наносы усиливают абразивное изнашивание обтекаемых участков затворов, в том числе и деталей их уплотнений. Особенно снижает долговечность уплотнений плавающая древесина и топляк. Известен случай [4], когда в результате нарушения синхронного подъема верхней секции сдвоенного сегментного затвора, перекры-вающего пролет длиной 20 м, возник перекос (около 250 мм), который не только нарушил работу боковых уплотнений, но и разрушил ноги секции. Опорные части верхней секции, выполненные в виде обычного цилиндрического шарнира, не могли устранить такой перекос. При высоких напорах чрезвычайно усложняются условия работы уплотнений затворов. Пульсация давлений вызывает колебание уплотняющего элемента с тенденцией к самовозбуждению при увеличении щели. Одновременно с вибрацией уплотнений возникает вибрация затвора. Часто колебательные процессы в уплотнениях переходят в автоколебания, для которых характерны периодичность и значительные амплитуды. Они могут вызвать недопустимые динамические напряжения в элементах затвора и, прежде всего, в самих уплотнениях, а следовательно, и усталостные разрушения швов, болтов. Работа высоконапорного затвора при частичном открытии без вибрации в большой степени зависит от того, насколько плотно и с какой силой будут прижаты уплотнения.
Уплотняющие элементы подвергаются как фрикционному, так и коррозионному и кавитационному изнашиванию, а резина и пластмассы - старению. В условиях субтропического и тропического климата активно протекающие процессы коррозии и старения материалов представляют существенную опасность для уплотнений затвора.
Весьма распространены кавитационные повреждения пазов затворов и околозатворных участков, особенно опасных в напорных водосбросах. Поэтому необходимо принимать меры к их недопущению [38, 39].
Опыт эксплуатации донных водовыпусков зарубежных гидроузлов показал оправданность установки на донных водовыпусках последовательно двух затворов независимого действия и доступных для эксплуатационного обслуживания без спуска водохранилищ.
Чтобы не допускать вибрацию высоконапорных регулирующих затворов и затворных камер, необходимо принимать такие очертания водоводов, пазов, кромок затворов, которые будут плавно формировать поток; использовать специальные прижимные устройства, удерживающие затворы в любом промежуточном положении (рис. 6.14); устраивать два ряда уплотнений, исключающих протечки, опирание затворов на порог без резиновой полосы.
Особое внимание надо уделять борьбе с коррозией оборудования и его частей, недоступных или труднодоступных для осмотров и эксплуатационного обслуживания (например, пазы и направляющие верховых ремонтно-аварийных затворов, облицовки и конструкции со стороны верхнего бьефа перед верховым затвором). В целях повышения надежности затворов и водосбросных сооружений на вновь строящихся гидроузлах используют, как правило, уже проверенные на практике типы затворов, пазов и механизмов, занимаясь лишь усовершенствова-нием их конструкций и компоновок на сооружениях. Технические новинки рекомендуется применять только после всесторонних модельных, а в соответствующих случаях и натурных исследований. Повсеместно предусматривается резервирование наиболее ответственных узлов затворов и механизмов (электродвигателей, насосов, маслонапорных установок и др.).
Энергоснабжение механического оборудования ответственных водосбросов, как правило, производится от двух источников - основного и резервного. Для обеспечения высокой оперативности маневрирования, возможности дистанционного управления все большее распространение получает индивидуальный электрогидравлический привод затворов. Последний имеет явные преимущества перед централизованной системой привода, монтируемой на специальных эстакадах. Отмеченное приобретает особую важность при строительстве гидроузлов на реках с быстронарастающими паводками.
Выход из строя затворов с высокими расчетными параметрами (площадь перекрываемого отверстия и напор), особенно при пропуске паводка, существенно снижает пропускную способность, а следовательно, и надежность гидроузла в целом [25]. Поэтому их применяют не всегда. Из подъемного оборудования значительно шире стали использовать специальные краны. Они отличаются универсальностью операций, что обеспечивается большим числом различных механизмов, наличием дополнительного навесного оборудования. Их грузоподъемность достигает 7 МН. Широко применяют управляемые захватные балки. Сейчас вместо громоздких кривошипно-шатунных механизмов используют гидропривод с тяговым усилием до 10 МН. Разрабатывают гидроприводы с усилием на штоке 25 МН и более. На судоходных шлюзах гидропривод стал основным типом механизма.
